小型制冷機(jī)低溫泵采用兩級制冷的氦封閉循環(huán)制冷機(jī)。選用這種制冷機(jī)的原因是它在77K和15K時能提供抽除真空室所必需的制冷功率。適合小型制冷機(jī)的制冷循環(huán)如圖5-53所示。現(xiàn)代小型制冷機(jī)低溫泵用得z*多的是G-M循環(huán)，無負(fù)荷時可獲得7K的低溫，20K時制冷功率為1W～20W。另一類是斯特林(Stirling)循環(huán)，z*低溫度為12K，20K時制冷功率10W～400W，但斯特林循環(huán)制冷機(jī)的振動較大，很少選用。
　　
　　G-M循環(huán)制冷機(jī)的工作原理
　　
　　G-M循環(huán)制冷機(jī)將壓縮機(jī)和膨脹機(jī)分開，前者作為氣源，后者產(chǎn)生制冷效應(yīng)。中間用閥門控制膨脹機(jī)的工作。與斯特林制冷機(jī)相比，效率低、體積和質(zhì)量大。但它的主要優(yōu)點(diǎn)是壓縮機(jī)的機(jī)械振動傳不到冷頭，并且兩部分分開后制造容易。膨脹機(jī)部分很緊湊，使用方便。由于活塞運(yùn)動速率很低（50r/min一500r/min），汽缸和膨脹活塞之間的間隙大，膨脹活塞兩面的壓差小，對密封要求低，壓縮機(jī)用油潤滑，這就大大提高了膨脹機(jī)的使用壽命。目前這種制冷機(jī)的維修周期可達(dá)3000h，壽命上萬小時。
　　
　　G-M循環(huán)制冷機(jī)的工作原理由吉福特(Gifford)和麥克馬洪(McMahon)于1959年提出，其基本組成部分是壓縮機(jī)及油吸附器等附屬裝置。壓縮機(jī)的作用是把從膨脹機(jī)來的低壓氣體進(jìn)行壓縮，提供高壓力的純凈工質(zhì)（氦氣）。現(xiàn)在大都使用油冷卻和潤滑的旋片式壓縮機(jī)，并帶有必要的冷卻和過濾凈化裝置。膨脹機(jī)的作用是使高壓氣體在它內(nèi)部絕熱膨脹制冷。為使它有效地工作，除膨脹機(jī)汽缸要有真空絕熱外，還要使膨脹機(jī)內(nèi)的活塞運(yùn)動和進(jìn)、排氣閥門的啟閉成合適的關(guān)系。可用啟動閥門的電機(jī)帶活塞運(yùn)動，也可做成氣動式的，即利用高壓氣體的能量，使活塞兩面的壓力不同，迫使活塞運(yùn)動。基本流程示意圖如圖5-54所示。工質(zhì)（氦氣）經(jīng)壓縮機(jī)壓縮為高壓高溫氣體，與冷卻器熱交換為常溫高壓氦氣，經(jīng)油分離器、油吸附器成為高純度氦氣。由進(jìn)氣閥進(jìn)入制冷機(jī)汽缸絕熱膨脹做功后，再經(jīng)排氣閥流入壓縮機(jī)，形成封閉循環(huán)。汽缸中的活塞驅(qū)動方式有氣動和機(jī)械驅(qū)動二種。機(jī)械驅(qū)動采用低速電機(jī)帶動二個偏心輪（按一定角度配置）和活塞曲軸，使進(jìn)、排氣閥按一定的配氣角交替開啟、關(guān)閉，同時曲軸帶動活塞作上下往復(fù)運(yùn)動，使G-M循環(huán)制冷系統(tǒng)內(nèi)的壓力產(chǎn)生周期性變化（圖5-55）。


　　
　　制冷原理如下：當(dāng)活塞運(yùn)動到下死點(diǎn)（冷腔體積近于零、熱腔體積z*大）位置6時，進(jìn)氣閥打開（排氣閥關(guān)閉），常溫高壓氦氣充入熱腔和蓄冷器，氣體壓力從6位置突然升高到位置1，氣體壓縮熱在冷腔接近于零。接著活塞變?yōu)橄蛏线\(yùn)動，熱腔中的常溫高壓氦氣經(jīng)過蓄冷器被冷卻后進(jìn)入冷腔，這時氣體比容隨之減小，壓力降低，常溫高壓氦氣經(jīng)進(jìn)氣閥不斷補(bǔ)人，氣體壓力如線段1-2、維持壓力不變。當(dāng)活塞運(yùn)動到接近上死點(diǎn)位置2時，進(jìn)氣閥關(guān)閉，充氣結(jié)束。活塞繼續(xù)向上運(yùn)動，工質(zhì)壓力沿曲線2-3下降，直到活塞運(yùn)動到上死點(diǎn)位置3，排氣閥打開，冷腔中的低溫高壓氦氣與壓縮機(jī)進(jìn)氣端接通，氦氣絕熱膨脹制冷，獲得凈冷量，壓力變化為3-4。之后，活塞向下運(yùn)動，冷腔中的低壓冷氦氣經(jīng)過蓄冷器、使蓄冷器內(nèi)的填料溫度進(jìn)一步降低后分別流入熱腔和壓縮機(jī)的進(jìn)氣端，壓力維持不變(4 -5)。當(dāng)活塞接近z*低位置時，排氣閥門關(guān)閉，氣體壓力沿5-6升高，活塞回到位置6時，進(jìn)氣閥門打開，開始下一個循環(huán)。
　　
　　每次循環(huán)中，通過進(jìn)氣閥經(jīng)過蓄冷器冷卻流入冷腔的高壓氦氣的初溫比上個循環(huán)審更低，在冷腔中絕熱膨脹階段后的溫度也就更低，進(jìn)一步冷卻冷腔壁和蓄冷器內(nèi)填料，這樣經(jīng)過多次循環(huán)不斷降溫，直到熱量的動平衡建立為止。
　　
　　為了使結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)用的G-M循環(huán)制冷機(jī)中的蓄冷器放在活塞內(nèi)。二級制冷的G-M制冷機(jī)的缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-56所示。G-M循環(huán)小型制冷機(jī)性能參數(shù)見表5-24。