本发明涉及一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，包括回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块；回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元；所述回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置、回热器、冷端换热器；直流外部循环单元中，直流自任意位置引出制冷机单元，经过多个通道，之后再回到回热器，完成直流循环；直流外部循环单元中设有直流控制阀，以此控制直流流量大小。与现有技术相比，本发明过将被引出的直流进行膨胀降压，增加了膨胀制冷效果，并得到与待预冷物料相近的压力，使其比热容相近，使得等量的引出直流可预冷及液化更多的待预冷物料，从而提高预冷及液化效率。