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G-M 制冷机主要由压缩机组（包括氦气压缩机、低压储气罐、高压储气罐、冷却器），膨胀机（包括气缸、推移活塞），配气机构（包括驱动机构、进气阀、排气阀），蓄冷器和冷头换热器组成。压缩机组的部件之间通过管道相连接，进、排气阀都处于室温下，由机械/气压驱动控制其启闭，以控制通过蓄冷器与膨胀机的气流、循环压力及容积。蓄冷器内填充磷铜网、铅球等蓄冷材料，冷热气流周期性交替地通过它，起到贮存和回收冷量的作用。冷头换热器的作用是输出冷量。膨胀机的气缸和推移活塞通过活塞环来密封配合，防止冷热腔间的气体发生串气。推移活塞的上下移动由一个小曲轴控制，它和进排气阀的控制机构组合在一起，由一个微型电动机带动。进排气阀的开启和关闭与推移活塞的移动位置之间按照一定的相位角配合，以保证制冷机的热力循环。G-M 制冷机是通过西蒙膨胀（绝热放气原理）来实现制冷的，其理想热力循环可以分为 4 个过程：绝热升压、等压进气、绝热放气和等压排气。其中西蒙膨胀产生冷量，蓄冷器起到实现冷热气流间换热的作用，以获得尽可能低的制冷温度。同时活塞往复移动控制冷腔体积变化及压力波动之间的相位，以获得尽量大的制冷量。但由于实际循环中各种冷量损失的存在，使得 G-M 制冷机的实际制冷量低于理想工况，同时降低了制冷效率。

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