Gifford-McMahon制冷机(简称G-M制冷机)是一种回热式小型低温制冷机，它利用绝热放气膨胀(又称为西蒙膨胀)原理获得低温，具有结构简单、运转可靠、性能稳定、使用寿命长等许多优点，当对重量、尺寸没有特殊要求时，在航天、材料、电子、通讯、医疗等方面有广泛的用途，特别是20K温区大冷量的单级G-M制冷机的用途更是广泛。 本文首先回顾了G-M制冷机的历史及国内外研究现状，然后详细介绍了G-M制冷机的工作原理、结构特点和相关的经典理论。其次，以20W/20K单级G-M制冷机的研制为目标，进行了20W/20K单级G-M制冷机设计计算，并在设计计算的基础上对整机进行了热平衡计算，得到了各种损失的数据。此外，本文采用数值求解的方法对穿梭损失进行了研究，并综合考虑了缝隙内导热热阻、换热热阻，物性随温度的变化，传热随时间的变化，活塞和气缸温度场的耦合等因素对穿梭损失的影响，然后和传统公式计算结果对比。最后，对单级G-M制冷机的关键部件——回热器和冷头换热器进行设计计算，并对结果进行分析。