斯特林制冷機的發展有著悠久的歷史。1815年Robert Stirling發明了后來以他名字命名的熱力發動機，1861年Alexander Kirk利用逆向的斯特林循環制冷獲得成功，到1954年由荷蘭的菲利普實驗室研制成功實用的斯特林制冷機，并予以推廣。此后，小型斯特林制冷機作為冷卻軍用紅外夜視設備(主要用在飛機和坦克上)的主導產品服務了近50年。

圖32-5是斯特林制冷機的結構和工作原理圖，它由壓縮機Va、回熱器R、排出器Vcd、熱端換熱器A和冷端換熱器C組成，排出器與壓縮機活塞相連，它們的運動維持一定的相位差，以保證工質在處于環境溫度的壓縮腔與處于低溫的膨脹腔間流動。其熱力學工作原理是由兩個等溫過程與兩個等容過程組成的，理想狀態下，斯特林制冷機的制冷效率(COP)等于卡諾循環的效率Tc/(Th-Tc )，式中Th和Tc分別是高溫熱源和低溫熱源的溫度。實際的斯特林制冷機由于有各種不可逆因素的存在，包括回熱損失、壓縮熱損失、流限損失、泵氣損失、穿梭損失、軸向導熱損失、冷端熱漏損失、換熱器不完全換熱損失等，其COP值大約為卡諾循環效率的1%~25%。