回熱式氣體制冷機有斯特林制冷機、維勒米爾制冷機、吉福特－麥克馬洪制冷機、蘇爾威制冷機和脈管等。
斯特林制冷機的理想工作過程是由兩個定容過程和兩個定溫過程（見熱力過程）組成的可逆循環（見熱力循環）。工質在壓縮腔被定溫壓縮後，經過回熱器被定容冷卻，然後在膨脹腔定溫膨脹，再經過回熱器被定容加熱後返回壓縮腔。要完成這樣的理想循環，一個氣缸內的兩個活塞必須作間斷運動。但實際上，兩個活塞是利用同一根曲軸的轉動作連續往復運動的；而且機器還存在余隙容器、工質流動阻力、換熱器換熱不完全和冷量損失等情況，故實際過程與理想過程有所差異。
結構圖圖為單級斯特林制冷機的結構。壓縮氣缸和膨脹氣缸組成一體。推移活塞把氣缸工作空間分成膨脹腔和壓縮腔。壓縮活塞通過兩個主連桿與曲軸上的兩個曲拐相連；推移活塞由穿過壓縮活塞的活塞桿和副連桿與曲軸的中間一個曲拐相連。這個曲拐與另兩個曲拐保持一定的夾角。曲軸的轉動使兩活塞作差動往復運動，從而使氣體壓縮、膨脹和回熱。氣缸的周圍裝有水冷卻器、回熱器和冷凝器（即凝汽器）。在氣體工質通道中設有閥門。當壓縮活塞向上運動時，工質被壓縮，從壓縮腔排出，經水冷卻器、回熱器冷卻和降溫，然後經冷凝器內側流入膨脹腔。推移活塞向下移動（此時壓縮活塞仍向上，然後向下移動），工質在膨脹腔內膨脹後溫度降低，即產生冷量。當推移活塞向上運動時（此時壓縮活塞仍向下移動），工質繼續膨脹後經冷凝器內側對外輸出冷量，依次進入回熱器、水冷卻器。低壓低溫的工質由膨脹腔回流至壓縮腔時，在回熱器填料中吸取熱量而溫度升高。氣體經上述工作過程消耗了功，產生的熱量由冷卻水帶走，消耗的功由電動機輸入。冷凝器外側的氣體將熱量傳遞給冷凝器，而使氣體溫度降低，直至冷凝成液化氣體流下。
斯特林制冷機已由單級發展到雙級和三級。為了增加機器的製冷量，還有利用四個單級制冷機並聯組成的四缸回熱式氣體制冷機。
單級斯特林制冷機的致冷溫度範圍為173～73K，適用於空氣液化和氣體分離等。雙級的致冷溫度範圍為12～15K,適用於氫和氖氣的液化。三級制冷機的致冷溫度為7.8K，還能為更低溫度的物理實驗提供冷源。當工質處於氣液兩相區時，最低溫度可到3.1K。
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