回热式气体制冷机是以氦气或氢气等气体为工质，在封闭系统中应用回热原理实现气体制冷机循环以获得低温和冷量的机械。制冷温度可在120K以下，属于低温设备。

低温制冷机按照换热器种类可以分为间壁换热式（recuperative）制冷机和回热式(regenerative)制冷机两种。回热器中流体进行微团尺度上周期性交变流动， 冷热流体交替与换热器中填料进行换热。在流动的前半周期和后半周期内分别对回热器中回热填料吸热和放热。无数多个气体微团的热量运输过程的接力最终实现了宏观尺度上的泵热效应，并最终维持一个恒定的温度梯度而产生制冷效应。

回热式气体制冷机有斯特林制冷机、维勒米尔制冷机、吉福特－麦克马洪制冷机、苏尔威制冷机和脉管等。

斯特林制冷机的理想工作过程是由两个定容过程和两个定温过程（见热力过程）组成的可逆循环（见热力循环）。

维勒米尔制冷机（VM制冷机）是属于斯特林循环的一种回热式制冷机，VM循环与斯特林循环的低温部分完全一样，主要不同在于VM循环中没有机械压缩机，而代之以一个由加热器供热的热排出器和热回热器组件，即热压缩机。

吉福特－麦克马洪制冷机的基本制冷原理是绝热放气降温，连续进行西蒙膨胀制冷的装置。当将室温高压气体绝热充入一个刚性容器时，容器中的压力和温度升高。若在充气的同时对容器中的气体进行冷却，使其仍保持原来的温度，然后将该容器中的气体向低压空间放气，气体的压力和温度便降低。