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）。工质在压缩腔被定温压缩后，经过回热器被定容冷却，然后在膨胀腔定温膨胀，风冷低温螺杆式冷水机组，再经过回热器被定容加热后返回压缩腔。要完成这样的理想循环，一个气缸内的两个活塞必须作间断运动。但实际上，两个活塞是利用同一根曲轴的转动作连续往复运动的；而且机器还存在余隙容器、工质流动阻力、换热器换热不完全
