随着大型低温真空泵、高低温超导器件、核磁共振成像仪（MRI）、红外探测器、低温光电子学器件的发展，大冷量制冷机的工业需求不断增长，这些应用场合对制冷机的制冷温度、可靠性、振动、电磁干扰、能耗、重量等指标提出了苛刻的要求。G-M制冷机凭借其转速低、振动小、运行稳定、寿命长、操作方便等优点而得到广泛地应用，研制大冷量G-M制冷机现已经成为低温制冷机领域中的重要研究方向。尽管国内外对于双级G-M制冷机的研究已开展了多年并取得了很好的结果，但其结构和性能方面仍有许多不足之处。本文针对目前双级G-M制冷机结构中存在的问题，围绕低温回热器蓄冷材料充填方式的改善、二级密封结构的改进、低温回热器进排气孔口的优化等方向，进行了相应的结构改进和实验研究：1）以4W/12K为技术指标，通过对整机进行热平衡计算，确定了制冷机各结构参数，设计并搭建了10K温区双级G-M制冷机实验平台。2）以上述实验平台为基础，为优化回热器内部蓄冷材料的充填方式，改善气流分布，增强气流与蓄冷材料间的热交换效率，提出了一种新型整流元件。利用REGEN3.3软件对带整流元件低温回热器进行了优化设计，给出了整流元件主要参数、系统运行参数和回热器结构参数对制冷机主要性能变化的影响趋势及规律，提出了整流元件的设计原则。根据此原则，设计并加工了整流元件，通过实验研究，对比分析了整流元件各参数对制冷机性能的影响。3）以上述实验平台为基础，为改进双级G-M制冷机的低温密封结构，提高制冷机的制冷性能、运行稳定、可靠性及使用寿命，提出了一种新型迷宫密封式活塞，以取代传统密封环结构活塞。利用FLUENT软件对该迷宫活塞进行了优化设计，给出了迷宫密封主要结构参数对气体泄漏量的影响趋势及规律，提出了该新型迷宫活塞的设计原则。根据此原则，设计并加工了多组不同结构参数迷宫密封式活塞，通过实验研究，讨论了迷宫结构主要参数、活塞材料、以及系统充气压力对迷宫密封性能和制冷机性能的影响，从而为多级G-M制冷机的设计提供新的借鉴和参考。4）在低温回热器其它结构参数不变的基础上，改变热端进排气孔口的大小、数量和布置方式，通过实验研究，以分析和讨论该因素对于制冷机性能的影响。