Gifford-McMahon制冷机(简称GM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30-40K温区大冷量的单级GM制冷机可以满足国内外一些高温超导磁体冷却所需大冷量的要求，在国外已商品化，而在国内仍是空白。本文以30W@20K单级GM制冷机的研制为研究对象，运用热力学理论对制冷机的理论制冷量、回热器和穿梭等主要热损失、降温时间及最低温度进行了详细地设计计算，确定了制冷机的主要结构尺寸，并为30W@20K单级GM制冷机设计了新型狭缝式冷量换热器，为制冷机选取了气动驱动方式，设计了一台30W@20K单级GM制冷机。在设计建立的单级GM制冷机的实验平台上，对现有单级GM150制冷机进行了实验研究，通过对比实验分别得出旋转阀旋转角度、回热器材料、高低压力、及压缩机耗气量对制冷机性能的影响，从而得出一组符合设计要求的旋转阀角度，回热器填料及填充比例和高低压比的范围。为进一步完善单级大冷量GM制冷机的研制和开发提供了理论依据和技术支持。