本文在大冷量单级G-M制冷机系统设计的基础上应用热力学理论分析了回热器的热力性能，并根据性能参数进行了设计计算，确定了回热器的结构尺寸和填料及填充比例。本文基于变质量系统热力学的理论建立了大冷量单级G-M制冷机回热器的物理模型，并运用计算传热学的理论对模型进行离散分析和边界处理，根据确定的回热器结构尺寸用C语言进行编程计算，结果基本上反映出回热器内部不同点处温度的分布规律。通过给G-M制冷机匹配不同类型的压缩机，以及先后选取不同的回热器填料及其填充比例，一共作了20组试验。首先验证压缩机对制冷性能的影响，试验结果证明：采用C50W压缩机最低温度达到25.7K，在30K时制冷量7.4W，40K时制冷量21W；而采用C80W压缩机最低温度达到20K，在30K时制冷量20W，40K时制冷量37.1W。试验还验证了分别采用1200片磷铜网、960片磷铜网和300g铅球、780片磷铜网和500g铅球填充回热器时制冷机的性能，从而得到一组最佳性能指标的填料和填充比例，即为960片磷铜网和300克铅球，其填充比例为3:1，得到制冷机在30K时的最大制冷量为20W，40K时最大的制冷量为37.1W。最后对回热器的损失进行了定性的分析，总结出使制冷机损失最低的解决办法和途径，为实际设计制冷机积累的一定的经验。