〇、开头

目前爱好者圈对制冷技术的研究普遍不足。液氮温区以下的低温，几乎完全依赖斯特林制冷机。这类机器价格极高、难以自制，又受二手货源的制约，很难普及。另一路线则是 GM 制冷机。MRI 拆机冷头货源充足、价格合理。然而，驱动它的氦气压缩机则十分稀有且价格高昂。

本工程用通用零件自制氦气压缩机搭配二手冷头，以较低成本实现大量液态空气的制备。整机可连续稳定运行，制冷量约 25 W @ −190 °C。

安全声明：本工程涉及高压气体与深冷介质，存在爆裂、冻伤等风险。请量力而行，不可在缺乏专业知识和安全防护的情况下模仿。

图0.1 整机照片

图0.2 产出的液态空气

一、GM 制冷机原理

1.1 气体膨胀为什么会变冷

所有制冷循环的共同基础都是气体膨胀会降温，但“怎么膨胀”有两条路，效果差别很大。

第一条路是等熵膨胀：让高压气体膨胀的时候对外做功，比如推动活塞或者涡轮。气体做功内能减少，温度就降下来了，冷量很可观。代价是需要运动部件，结构复杂。

第二条路是节流膨胀，也就是焦耳-汤姆孙效应：让气体通过节流阀或多孔塞，从高压侧挤到低压侧，利用气体的非理想性，即分子间的相互作用降温。它没有任何运动部件，结构极其简单，但温降小得多。一般而言，分子量越大的气体节流降温越大，但同时沸点也越高。因此想要达到很低的温度，往往需要混合多种工质。

常见的几种循环就按这两条路分了家。家用冰箱和空调用的是蒸汽压缩循环，它靠的是工质的相变（冷凝放热、蒸发吸热），不是单纯的气体膨胀，效率很高但温区受工质限制。JT 循环（焦耳-汤姆孙循环）用的是节流膨胀，简单、没有运动部件，但制冷量小。想要在大温差下得到较高的效率，主流做法都是走第一条路——斯特林循环和 GM 循环都属于这一类。

1.2 朴素的想法

既然膨胀能降温，那最省事的办法似乎就是：一个气缸、一个活塞，让它反复压缩、膨胀。

图1.2.1 朴素的想法

活塞往外拉 → 气体膨胀 → 降温

活塞往里推 → 气体压缩 → 升温

显然这样无法持续制冷。

所以必须让“膨胀”和“压缩”发生在不同的地方。用一个装置把气体在冷端和热端之间来回搬运，让气体只在冷端膨胀、只在热端压缩。

这个装置就是置换器（displacer）。它长得像一个长形的、不密封的活塞。运动时气体从边缘漏过去，从一端被赶到另一端。

图1.2.2 置换器的作用

1.3 但这还不够：需要“滚雪球”，所以要加蓄冷填料

膨胀降温取决于压比和初始温度，在上面的模型中，初始温度就是环境温度，压比受机械结构限制，因此温度降不到很低。

想要继续降温，就得让它在膨胀之前先被预冷。也就需要把上一轮膨胀获得的冷量存起来，用来预冷这一轮进来的高压气体。

这样就形成了滚雪球的效果：每一轮循环都在前一轮的温度基础上再往下探一点，温度逐轮降低，最终稳定在某个平衡点上。这样，我们就得到了斯特林循环。

实现这个“存冷量”的东西，就是置换器中的蓄冷填料（regenerator）。

在热端压缩放热 → 被置换器换到冷端，与填料换热，温度降低 → 在冷端膨胀吸热 → 被置换器换到热端，与填料换热，温度升高

图1.3.1 斯特林循环

填料需要满足两个条件：高体积热容、低热导率。前者决定它能存储多少冷量，后者能让填料内形成温度梯度，减小轴向漏热。

一般金属的热容在低温下会衰减，因此不同温区常用的填料也不同。液氮温区一般是不锈钢丝网或颗粒，液氢温区常用铅或磷青铜，液氦温区以下就需要Er3Ni、HoCu2、Gd2O2S等磁性蓄冷材料了。

1.4 斯特林循环的问题

斯特林循环设计得很巧妙，效率也很高。但用在深冷上有一个根本的麻烦：它的“压缩机”和气缸是连在一起的。

斯特林机的压缩是由同一个气缸里的活塞完成的，压缩比受限于活塞的行程和气缸的几何尺寸，很难做高。

压比小，单位流量的气体做的功就少，想要得到足够的制冷量，就必须提高循环频率，但频率又受机械结构限制。

这也正好解释了一个现象：斯特林机的频率普遍很高（几十 Hz），而 GM 机低得多（1~2 Hz）。

1.5 GM 循环的由来与代价

GM 循环（Gifford-McMahon）的思路是：把压缩这件事挪到外面去做。

它使用外置的压缩机和配气阀来替代活塞。压缩机提供气源，配气阀（通常是旋转阀）周期性切换高低压，达到和活塞相同的效果。

图1.4.1 斯特林循环与GM循环

图1.4.2 双级GM冷头结构示意

这样一来，压缩比由压缩机决定，不再受气缸尺寸限制。可以做得更高，温度也就能做得更低。

但这个方案是有代价的，斯特林机里，气体膨胀时推动活塞，膨胀功会被弹簧或飞轮回收。

而 GM 循环里，一部分气体的膨胀推动另一部分气体通过配气阀，实际上发生了节流膨胀，膨胀功又变回气体热能，白白浪费掉了。

因此，GM循环的效率天生就低于斯特林循环。它用低效换来了更稳健的结构、更低的极限温度和更大的制冷量。

综上所述，GM 循环被分为相对解耦的两部分：压缩机只负责提供高低压，冷头（膨胀机）只负责膨胀制冷。

二、系统方案

先说为什么用氦气：它沸点低、绝热指数高、比热大、热导率高。氢气虽然非常廉价，但热力学性能略差于氦气，会引发金属氢脆，而且易燃易爆，故不采用。

冷头相对复杂，自制能在高压下稳定运行的机械结构难度较高，因此本工程直接使用二手拆机4K冷头。它本身就是易损品，需要频繁更换，因此二手货源充足，价格低廉。

接下来我们的主要工作是制作氦气压缩机，它需要为冷头提供高压、常温、洁净的氦气。

2.1 油冷循环

氦气的绝热指数很大（1.67），同样压比下的压缩温升比空气（1.4）和氟利昂制冷剂（1.1~1.2）都高。若只依靠氦气本身散热，按理想等熵压缩计算，把常温氦气压缩3倍，排气温度会达到 190 °C 左右，这显然超过了压缩机能承受的上限（空调压缩机内置温控开关阈值一般在120°C左右）。

因此必须引入额外的冷却措施。

最简单的做法是“泡澡法”水冷：把压缩机做好绝缘、防锈后浸入循环水里，靠外壳向水传热。如果读者使用1.5HP以下的压缩机，推荐使用这种方法。

本项目压缩机功率较高，靠外壳传热已经不够，因此改用油冷。把压缩机内的润滑油抽出来，冷却后又灌回去。

管路拓扑结构：

压缩机底部油池 → 出油口 → 干燥过滤器 → 止回阀 → 油泵 → 散热器（油段）→ 视镜 → 两个回油口 → 压缩机

如果能让压缩过程更接近等温（边压边散热）而非绝热（压完再散热），压缩放热会减小。散热越好，热负荷越低，这是个良性循环。

2.2 除油环节

含油压缩机工作时会把油雾带进排气管。若油随气体进入冷头，则会在低温处凝固，导致填料堵塞、置换器卡死。

因此必须引入除油环节。

管路拓扑结构：

压缩机排气 → 一级油分离器 → 散热器（气段） → 二级油分离器 → 活性炭吸附器 → 干燥过滤器 → 冷头进气

各级的位置选择：

一级分离器：放在散热器之前，先把大部分油分掉。如果不这样做，油会在散热器管道内堆积，影响换热效率。

散热器气段：长管路让油滴有时间凝聚，也能冷凝一点油蒸气。

二级分离器：放在散热器之后，专门收散热器里凝出的那部分油。

活性炭吸附器：吸附机械分离残留的少量油气。

干燥过滤器：吸附水汽，利用内置滤棉滤除活性炭粉末。

2.3 三个回路与管路图

把上面的推导组合起来，再添加一些细节，整机就是三个的回路：

图2.3.1 总管路图

气回路：主回路。吸入常温低压的氦气，经压缩、除油、散热后供给冷头。

油冷回路：用于冷却压缩机。抽出高温润滑油，经过滤和冷却后送回压缩机。

回油回路：将油分离器分离出的润滑油送进压缩机吸气口，进而回到油池。

这里给出一些成品氦气压缩机的管路图，以供参考。

图2.3.2 中船鹏力 EASYCOOL KDC2000F管路图

图2.3.3 CTI-Cryogenics 8200管路图

图2.3.4 住友F-70管路图

三、主要零件与工具

3.1 零件清单

本节只列出决定技术路线的核心选件。详细的 BOM 在文末给出。

3.2 工具清单

图3.2.1 本项目使用的钎焊套件

四、加工与装配

4.1 散热器改造

小型散热器只有一条管（2 hp 以上会是多条并联），整根管在翅片里来回绕着走，中间没有分支。而我们需要油路、气路两条互相独立的回路，所以得把一根管分成两段，各自引出接口。

先在管路上定好油气两段的分配方式。本机散热器是三排共 36 根管，按油 : 气 ≈ 2 : 1 分配，即 25 根给油、11 根给气。比例可以按连接的方便程度微调。为优先保证气的散热，应让空气先流过气段、再流过油段（本机做成了油段在前，导致出气温度偏高，这是加工失误）。后续测试表明油散热不足而气散热过剩，建议提高比例至 3 : 1。

定好之后，在油气段的分界处用电磨机切开，然后用空压机吹干净铜屑。原先散热器上自带的引出管也用不上了，沿原焊点处切掉。

散热器为了降低成本、提高传热效率，管壁做得很薄（本机这台只有 0.28 mm），注意防止磕碰，钎焊时也不要过度加热，避免熔穿。如果不慎磕碰，浅的凹坑可以用钎焊补强，深的就只能切除换新管。

所有切口都用尖嘴钳整圆后，焊接内径 9.52 转 6.35 的铜大小头，小的一侧插进管子里面。这是为了让后续改动只去动大小头与连接管的焊点，而不直接拆焊散热器上的薄壁管道。

图4.1.1 散热器改造图1

图4.1.2 散热器改造图2

4.2 压缩机改造

各类压缩机的外形和内部结构都相对固定，可按下图辨别。

图4.2.1 各类压缩机

转子机整个壳体内部都是高压腔，泵头浸泡在下方油池里，压缩热可以直接被油带走，因此适合改油冷。出油口自然就装在底部油池的侧面。

进油口有两个选择。

一是顶部喷淋。油从顶部进去，为电机提供散热和润滑，同时与氦气发生逆流换热。氦气从底部泵头出来，向上走，到顶部排气口排出；油从顶部往下淋，落到底部油池。这样换热效率很高，但进油口和排气口离得近，油很容易被气吹出去。

二是直接回到底部油池，从出油口的对侧进入，这样能保证油绕流整个泵头。这样油很难被吹出去，但少了逆流换热，换热效率略低。

本机两个进油口都用了，并用管路阻力控制两路的流量比例。这样既保留了顶部喷淋的润滑和逆流换热，又把顶部的份额压得足够低，减少排气夹带。

图4.2.2 油冷示意图

不论是新机还是二手翻新机，出厂基本上都会预先装入润滑油，加工前要先排干净。把压缩机倒过来，油会从排气管流出来。气液分离器里可能存有少量油，这部分会从进气管流出来，要注意接住。倒出来的油用量筒测好容积、妥善保存，后面加油还要用到。

R22 压缩机用矿物油，R410A/R32 压缩机用 POE 油，两种油不能混用。POE 油吸潮后会产生酸性物质腐蚀管路，要密封防潮保存。

加工前先用百叶轮把孔位附近的油漆全部打磨掉。

图4.2.3 磨掉油漆的压缩机

压缩机接线柱的绝缘材料一般是玻璃或陶瓷，受热冲击容易开裂，所以顶部孔位要尽可能远离接线柱；焊接顶部接口时要用湿毛巾包裹，以防过热。为避免出油管吸入气体，或钻孔时误伤泵头，底部侧面两孔尽可能选择靠下的位置。

用 9.5 mm 钻头钻孔。钻孔时往外倾斜一点，避免铁屑进入腔内。钻完之后把孔朝下，从排气管吹入压缩空气，把残留的铁屑吹出来。

插入 9.52 mm 铜管接头，拧上管帽用作临时保护。

图4.2.4 压缩机接口-底部

图4.2.5 压缩机接口-顶部

用蓝皮焊条（磷锡硅青铜）钎焊。

这种焊条的硼砂基助焊剂凝固后很难清理。可以在焊完之后喷水，让助焊剂快速冷却开裂，之后就容易清掉了。

尽可能开大火速战速决。烧久了表面氧化，反而更不容易焊上。压缩机里面的机械结构很健壮，不必怕焊坏。

用湿毛巾和钢丝刷清理焊点，把助焊剂残渣和氧化皮刷掉。

图4.2.6 清理后的焊点

去除油污与水渍后，上防锈漆。

图4.2.7 上漆后的压缩机

最后还有一处。为避免气液分离器阻碍油分离器回油，我们在气液分离器之后的进气口处额外安装了一个接口，让回油路线绕过气液分离器。但后续实验表明回流量并不大，直接回到气液分离器之前就够了，读者不必跟着做这一步。它的加工方法和上面一样，只是改用 6.35 mm 铜管接头、6 mm 钻头。进气管本身就是铜管，比铁壳子好焊；但铜导热快，而且它直接通向泵头、热质量大，所以同样需要开大火。

图4.2.8 进气管处的回油接口

4.3 油吸附器装配

壳体用市售的"315×70"可拆卸式干燥过滤器，接口是 15.88 喇叭口。主体和盖子用 6 颗 M8 螺丝连接，法兰面稍微打磨一下以提高平整度。原装的密封环是 PTFE，要换成 1 mm 厚的丁腈橡胶垫，用剪刀按形状剪出来就行。PTFE 在氦气里密封性不好，同理，所有的螺纹接口都使用螺纹密封胶而非PTFE生料带。顺便一提：这款干燥过滤器油漆质量差，很容易剥落，建议磨掉重刷。

图4.3.1 吸附器壳体的分解（主体、盖子、密封垫）

本机使用颗粒活性炭，总填充量约 1.3 kg（推荐改用滤毒罐专用造粒活性炭，颗粒均匀，不易粉化，吸附效果更好）。将活性炭漂洗去除细粉，自然晾干 12 h，再在恒温烘箱中 120 °C 烘干 4 h。冷却后装入无纺布袋中，再装入壳体。

气流方向必须"盖子进、主体出"。主体底部有一块不锈钢孔板，盖子上没有。方向装反的话，袋子会被气流吹进管道里堵住，形成类似疝气的问题。为降低阻力，两个吸附器并联使用。

图4.3.2 恒温烘箱中的活性炭

图4.3.3 装入袋装活性炭

图4.3.4 吸附器主体

4.4 油泵改造

液压系统里用的单向齿轮泵，能在出口产生很高的压力，但连接到入口的轴密封（油封）则几乎无法受压。

我们的油回路正相反。油泵只需克服回路阻力，压差很小，但整个回路处在系统高压端，需要的是低压差 + 高绝对压力。

一种方法是把泵头和电机整体装进压力容器、只引出密封接线柱（像全封闭压缩机那样），但鉴于自制异形压力容器相对困难，本项目不采用。

更简单的方法是将油封换为能够耐受高压的机械密封，并提高电机功率以克服机械密封阻力。

选件：

• 油泵 HGP-1A-F4L

• 机械密封 2100-12（石墨对碳化硅，辅助密封 NBR，耐压 2 MPa）

• H608ZZ 法兰轴承座

• 电机 6IK250CA-CF（250 W，1350 rpm，PSC）

图 4.4.1：机械密封与轴承座的尺寸链

拆开齿轮泵、取出油封。轴承座自带的螺纹钻掉；在泵壳端面按孔位钻孔攻丝；泵壳与轴承座用23mm钻头分别扩孔并钻深，给机械密封留出轴向空间，两者都要保留台阶。

图4.4.2 轴承座与泵壳上的固定孔

泵壳台阶与动环之间垫一对 16×22×0.5 不锈钢垫片传递推力；静环压入轴承座，其间加一片垫片分散石墨静环的载荷；轴承座对准螺孔拧紧，结合面涂平面密封胶。

图4.4.3 安装顺序

图4.4.4 轴承座与静环

图4.4.5 泵轴上的动环

图4.4.6 安装好的机械密封

油泵两端装 3 分转 φ9.52 喇叭口接头。我们在入口装了一只止回阀，事后看没有必要。这种止回阀在高温下容易失效，读者不必装。

图4.4.7 油泵总成

齿轮泵不能反用。 外啮合齿轮泵机械结构对称，但密封的安装位置并不对称。反转会把压力尖峰打到密封上，加剧磨损。同一型号有 R、L 两种旋向，选型时按实际需要的旋向买。

不建议做动态水压测试。 水的润滑性不足，会磨损泵内的浮动轴套。

4.5 冷头与压缩机的对接

气路连接这里用的是软管 + 快插接头，这是可选的。把冷头和压缩机装到同一个架子上、直接用铜管连接显然更加可靠，用软管只是为了模仿成品机的形态。

冷头出厂时两端各带一个专用的自密封气管接头。这种接头买不到散件，只能从冷头上把它拆下来。先缓慢拧动，听到放气声立刻停手，等余压放尽再完全拆开。

取下阀芯、只留外壳，钎焊上 2 分外丝接头，再拧上 KZE2-06 液压快插接头的母头。

图4.5.1 冷头全景

图4.5.2 运损的原装接头

图4.5.3 冷头侧的快插接头

压缩机一侧同理：在 9.52 黄铜纳子上钻孔，钎焊 2 分外丝接头，拧上对应的快插接头。

图4.5.4 压缩机侧的快插接头

冷头电机的接线柱上共四根线，右下角是地线，顺时针依次为地线、V、U、W。专用插头同样买不到，用1.5mm单孔插簧直接接上，按相序接到变频器。

图4.5.5 冷头电机接线

图4.5.6 变频器接线

软管用两根 4 m、内径 8 mm、标称耐压 1.6 MPa 的不锈钢波纹管，两端接快插接头公头。这个耐压等级买不到更高的，属于超额使用，保险起见先做水压测试：3 MPa 保压 15 min，测完用压缩空气吹干。

图4.5.7 水压测试中的软管

图4.5.8 水压测试压力表

不建议用橡胶软管。 氦气会从橡胶壁渗透，而软管的表面积大，渗透量比橡胶密封件大得多。

这套软管 + 快插方案的一些缺点，请酌情选择：

1. 成品套件的专用自密封接头是螺纹旋紧的，可以用扳手借力；液压快插接头靠轴向推入，每次连接都要抵抗几十公斤的氦气推力（我用 G 形夹勉强解决，但仍然很麻烦）。推力大就插不快、插不到位，每次插拔都要漏掉大量氦气。

2. 软管在压力周期性变化时会有轻微伸缩，长期可能发生金属疲劳。

3. 软管和快插接头会引入额外的阻力（这点从冷头吸排气声音可以听出来），但似乎并未损害性能。

4.6 组装与接线

装机没有固定顺序。零件位置、管道走向取决于个人设计，合适的装配顺序自然也不同。本机在调试阶段反复拆装了多次，没有留下完整的过程照片，因此主要展示成品。

本机所有主要管道均使用 φ9.52 铜管，看照片时可以用它作尺寸参照。

机架用的是 3030 铝型材。机架宁大勿小，一定要留出操作空间，否则连接管道会非常困难。

图4.6.1 整机照片-顶面

图4.6.2 整机照片-正面

图4.6.3 电路图

本机为方便压缩机启动用了启动器，但这并非必要，用一个运行电容即可。启动前先打开平衡阀平衡压力，避免带压启动。

两处安全项：

• 温控开关的金属外壳与引线短路，必须套硅胶管（随开关附送）。

• 冷头必须稳固接地。二手冷头内有机械摩擦、气流冲刷产生的金属粉末，卡在零件间隙内很难清理干净，容易导致漏电。

图4.6.4 整机照片-背面

进出压缩机的管道要多拐几个弯，用于缓冲压缩机的震动。

图4.6.5 整机照片-左面

从散热器出来的冷油经一个三通分成两路：一路用 φ9.52 铜管从底部进入压缩机，一路用 φ6.35 铜管从顶部进入，靠阻力把流量比调到约 85 : 15。顶部进油管要伸进壳内一段——这一路流量低，油会因表面张力沿壳壁铺开，容易被排气吹走，伸进去可以避开。

图4.6.6 伸入壳内的进油管

图4.6.7 盘绕的管道

图4.6.8 整机照片-右面

两个油分离器的出油由三通汇合，经过一个视镜后返回压缩机吸气口。可从视镜观察回油量是否异常。

本机的油分离器选用 Emerson A-W 55888 与 55889。实验中发现容量过大导致分离效率偏低，建议统一换用 55824。

带浮球阀的油分离器需要预先充注一定量的油。焊接前先从出气口灌入 500 mL，用手指堵住出气口，再从进气口加压缩空气，多余的油会从出油口冒出来。

图4.6.9 油分离器预充注

油吸附器的接口用 φ15.88 喇叭口转 φ6.35 大小头。这里的焊点离喇叭口密封面很近，焊接热导致密封面氧化，是本机反复出现的漏点。因此焊接后要用铜清洗剂把氧化物清掉。市面上多款铜清洗剂疑似含铬酸，使用时注意防护。

图4.6.10 泄露的吸附器接口

为避免应力集中，在散热器接口厚薄管交接的焊点处用塑钢土（环氧树脂腻子）加固。

图4.6.11 加固的接口

冷头装在独立的架子上。拆除两级冷台上的铜块以减小热质量。一级气缸与冷台包裹约 3 cm 覆铝箔保温泡棉；二级气缸与冷台伸入一只 3 L 不锈钢保温杯，杯口用泡棉包裹、与冷头泡棉接触并压紧。热电偶用螺钉固定在二级冷台上。泡棉会在低温下脆化，但并不会损害保温性能。

图4.6.12 一级冷台铜块

图4.6.13 包裹泡棉的冷头（某次测试中）

五、检漏、加油、抽真空、充气

装配完成后做整机检漏，用外接无油空压机加压到 0.7 MPa。此处严禁使用机器内的含油压缩机压空气，会导致润滑油起火爆炸。

加压后听漏气声，排除较大的漏点。然后把油泵电机的进线口和快插接头的接触面用胶带包裹（此处建议装电机时把接线口朝下），喷大量肥皂水，确保覆盖所有焊点和接口。静置15min观察有无起泡。

检完用大量水把肥皂液冲掉，避免引起电化学腐蚀，再用压缩空气吹干。最后保压 12 h，压力没有下降才算通过。

图5.1 保压前后的压力表

为避免溶解空气，冷却回路的油在保压后充注。拧开压缩机回油管接口，用量筒量取 1100 mL 加入（实际充注量请按压缩机原润滑油量 + 油冷回路容积计算）。

图5.2 加润滑油

充气口上接一个带阀三通，一头接真空泵，一头接氦气瓶。用气球氦气不需要减压阀，用高压气瓶则必须加减压阀。此处只用了一段毛细管减压，非常不建议模仿。

本项目测试过气球氦气和5N高纯氦气，未发现显著性能差别。

抽真空、气体置换。一次循环是：开平衡阀 → 抽真空 30 min → 充氦气至 0.2 MPa → 关平衡阀 → 整机运行 1 min，重复 4 ~ 5 次。期间冷头保持运行。

图5.3 真空泵与气瓶

图5.4 充注口上的带阀三通

预充气至平衡压力 1 MPa，开机运行，再充气至压缩机的功率接近标称功率（1.9 ~ 2 kW）。对应高压约 2.0 ~ 2.1 MPa，低压约 0.65 ~ 0.75 MPa，平衡压力约 1.45 MPa。一次充气的氦气用量约 200 L（含置换过程，折算至常压）。

压缩机功率随充气量增大而增大，可通过充气量微调功率。

图5.5 电表读数

图5.6 平衡压力

六、稳态运行

VID20260910154235.mp4 点击下载

开机时的仪表读数

VID20260910161324.mp4 点击下载

整机全景

6.1 冷端性能

测量环境：25°C空调房。

图6.1.1 降温曲线

在 −189 °C 之前，降温几乎是直线（线性拟合斜率 −3.30 °C/min，r = −0.9950）；到 −189 °C 之后曲线转平，冷量开始被冷凝空气消耗掉。这说明系统远未达到极限。把绝热做好，可以达到更低的温度。

图6.1.2 取下保温杯

图6.1.3 沸腾的液态空气

图6.1.4 稳态运行一小时的产量

6.2 热端性能

测量条件：30°C室外通风

6.3 噪音

用手机软件测量1min均值，氦气压缩机和冷头放在一起。

• 85dB（机内中心）

• 78dB（距离整机1m）

• 57dB（距离整机2.5m+隔一道木门）

转子压缩机本身的噪音其实很小，噪音主要来自油泵泵头。压缩机工作时把气泡搅进油中，在泵头内形成空化气泡。在视镜中也可以看到运行时油变浑浊，停机后变清澈。

图6.1.5 运行时的视镜

6.4 对标数据手册

图6.2.1 数据手册-压缩机功率

图6.2.2 数据手册-制冷量

本机只用了原厂约 28% 的功率，绝对冷量降到 25 W ，但 COP 略高、相对卡诺基本一致。

这验证了氦气压缩机与冷头相对解耦的论断。用一样的冷头，换成自制的压缩机，性能几乎没有衰减。

七、总结

本项目用廉价的通用零件制作氦气压缩机，达到了接近成品机的效率。

为处理氦气压缩热，引入了油冷回路。为驱动高压润滑油，引入了机械密封改造油泵。为保证输出气体洁净无油，引入了三级除油环节。

仍存在的问题：三级除油依然不能把油彻底滤除，有少量被气体夹带，污染冷头。

进一步的发展方向：

• 大型化：换用涡旋压缩机，达到与成品压缩机同等的功率水平。加强绝热，用成品冷头得到尽可能低的温度。

• 小型化：压低成本和技术门槛，实现氦气压缩机 + 冷头全流程自制，在液空温区达到尽可能高的效率。

相比电子、化学、机械等大众爱好，制冷技术则要小众得多。本工程也只是把 GM 循环这条路上最贵的一环换成了通用件，其他领域，如自制冷头、自制涡轮膨胀机、更低的温区、更大的功率等，都还有待探索。这个项目谈不上精巧，许多地方都是“凑合能用”，但若能多拉几个新人“入坑”，或是让后来者少走几条弯路，这篇帖子也就值了。

八、补充资料

8.1 材料清单

**未计入紧固件、零散小件、事故重换件、工具等，不保证齐全，仅供参考**
---
## 8.1.1 核心件
| 名称 | 型号 / 规格 | 数量 | 单价 | 小计 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| GM 冷头 | 中船鹏力 KDE-412SA | 1 | 2000 | 2000 | 二手，MRI 拆机件 |
| 铝型材机架 | 3030 铝型材，定制 | 1 | 380 | 380 | |
| 空调压缩机 | 2.5 hp / R22 | 1 | 370 | 370 | 二手翻新 |
| 油泵电机 | 6IK250CA-CF | 1 | 265 | 265 | 250 W / 1350 rpm |
| 散热器 | FNA1.20/5.40 1HP 翅片式冷凝器 | 1 | 245 | 245 | 容量偏小，建议 1.5HP 以上 |
| 可拆卸干燥过滤器 | 「315×70」 | 2 | 60 | 120 | 用作油吸附器壳体 |
| 油分离器 | Emerson A-W 55889 | 1 | 118 | 118 | 容量偏大，建议换用 55824 |
| 油分离器 | Emerson A-W 55888 | 1 | 113 | 113 | 同上 |
| 风机 | 4E300 | 1 | 100 | 100 | |
| 油泵泵头 | HGP-1A-F4L | 1 | 80 | 80 | 外啮合齿轮泵；注意 R / L 旋向 |
| 油泵支架 | 钣金定制 | 1 | 50 | 50 | |
| **小计** | | | | **3841** | |

## 8.1.2 油路与管路件
| 名称 | 型号 / 规格 | 数量 | 单价 | 小计 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 缓冲罐 | 3 L 制冷系统储液罐 | 1 | 75 | 75 |  |
| 不锈钢波纹管 | 内径 8 mm × 4 m | 2 | 24 | 48 | 标称 1.6 MPa，超额使用 |
| 自密封快速接头 | KZE2-06 | 4 | 12 | 48 | |
| 干燥过滤器 | EK-163S（内置 25 μm 滤棉） | 2 | 24 | 48 | 油路保护泵 / 气路末级 |
| 泄压阀 | 6.35 mm / 3 MPa | 1 | 29 | 29 |  |
| 电磁阀 | 三花 FDF2A90 | 1 | 28 | 28 | 平衡阀，用磁铁手动操作 |
| 丁腈橡胶密封垫 | 1 m × 50 cm × 1 mm | 1 | 27 | 27 |  |
| 手阀 | 6.35 mm 螺口 | 1 | 26 | 26 | 充注阀 |
| 视镜 | 9.52 螺口 | 1 | 25.5 | 25.5 |  |
| 视镜 | 6.35 焊口 | 1 | 20 | 20 |  |
| 视镜 | 6.35 螺口 | 1 | 19 | 19 |  |
| 机械密封 | 2100-12 | 1 | 13 | 13 | 石墨对碳化硅，辅助密封 NBR，耐压 2 MPa |
| 乐泰 510 平面密封胶 | 50 mL | 1 | 12 | 12 | |
| 内外丝单向阀 | 3′ | 1 | 11.1 | 11.1 | |
| 黄铜 2 分外丝承口接头 | | 4 | 5.3 | 21.2 | |
| 弹性联轴器 | 12 mm | 1 | 9.5 | 9.5 | |
| 法兰轴承座 | H608ZZ | 1 | 6.6 | 6.6 | 只用壳体，拆掉轴承 |
| 9.52 喇叭口带耳接头 | | 2 | 10.9 | 21.8 | |
| 9.52 纳子 | | 8 | 2.17 | 17.36 | |
| 3′ 外丝–9.52 喇叭口接头 | | 3 | 4.79 | 14.37 | |
| 9.52 外丝喇叭口接头 | | 3 | 4.69 | 14.07 | |
| 外 15.88–内 6.35 铜大小头 | | 5 | 2.38 | 11.9 | |
| M8 外丝–M10 内丝转接 | | 2 | 5.86 | 11.72 | |
| 25.4–9.52 铜大小头 | | 2 | 5.38 | 10.76 | |
| 22–9.52 铜大小头 | | 2 | 5.2 | 10.4 | |
| 铜管 | φ9.52 × 0.7 | 5 m | 18.5 / m | 92.5 | 用量与布局有关 |
| 铜管 | φ6.35 × 0.7 | 2 m | 11.8 / m | 23.6 | 同上 |
| 铜管 | φ2 × 0.5 | 4 m | 3.14 / m | 12.56 | 同上 |
| 6.35 纳子 | | 7 | 1.29 | 9.03 | |
| 9.52–6.35 铜大小头 | | 5 | 1.6 | 8.0 | |
| 9.52–6.35 变径铜三通 | | 2 | 3.87 | 7.74 | |
| 9.52 铜三通 | | 2 | 3.2 | 6.4 | |
| 6.35 喇叭口–3.2 大小头 | | 4 | 1.58 | 6.32 | |
| 6.35 铜三通 | | 1 | 3.92 | 3.92 | |
| 万向轮 | | 4 | 2.56 | 10.24 |  |
| **小计** | | | | **759.59** | |

## 8.1.3 仪表与电气
| 名称 | 型号 / 规格 | 数量 | 单价 | 小计 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 压缩机启动器 | 3 匹 | 1 | 86 | 86 | 可换作运行电容，非必需 |
| 变频器 | AE200H 系列 400 W | 1 | 75 | 75 | 驱动冷头电机 |
| 压力开关 | P606E | 1 | 45 | 45 | |
| 三芯电线 | 4 平方 × 10 m | 1 | 38 | 38 | |
| 四芯电线 | 1.5 平方 × 10 m | 1 | 30 | 30 | |
| 交流接触器 | CJX2-3210 | 1 | 25 | 25 | |
| 压力表 | R22 低压 −0.1~1.8 MPa | 1 | 24 | 24 | |
| 压力表 | R22 高压 −0.1~3.8 MPa | 1 | 24 | 24 | |
| 单孔插簧 | 1.5 mm，200 个 | 1 | 11 | 11 | 接冷头接线柱 |
| 压力表固定架 | | 1 | 10.8 | 10.8 | |
| 电闸导轨 | | 1 | 3.56 | 3.56 | |
| 温度开关 | KSD9700，85 °C / 5 A | 2 | 1.68 | 3.36 |  |
| **小计** | | | | **375.72** | |

## 8.1.4 耗材
| 名称 | 型号 / 规格 | 数量 | 单价 | 小计 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 冷冻油 | 矿物油型 | 1100 mL | 18.6 / 500 mL | 41 | 根据压缩机型号选择 |
| 磷铜焊条 | L201 | 10根 | 88 / 60根 | 14.67 | 用量与布局有关 |
| 蓝皮焊条 | 磷锡硅青铜 | 2根 | 6.8 | 13.6 | 同上 |
| 塑钢土 | | 1 | 15.2 | 15.2 | |
| 活性炭 | 送网袋 | 2 kg | 11.4 | 11.4 | 吸附器用约 1.3 kg |
| **小计** | | | | **95.87** | |

## 8.1.5 氦气（只给出单价）
| 名称 | 规格 | 单价 |
|---|---|---|
| 气球氦（带一次性钢瓶） | 22 L / 2 MPa | 117 元 / 瓶 |
| 5N 氦气 | 10 L / 10 MPa | 500 元 / 瓶（气） |
| 高压钢瓶 | | 300 元 / 个 |

## 8.1.6 小计
| 分类 | 小计 |
|---|---|
| 核心件 | 3841 元 |
| 油路与管路件 | 759.59 元 |
| 仪表与电气 | 375.72 元 |
| 耗材 | 95.87 元 |
| **零件合计** | **约 5072.18 元** |

8.2 冷头拆解

目前正在整理资料，以后可能更新。

8.3 其他爱好者的同类工程

以下两位爱好者也在独立开展类似的工程，本项目与他们几乎同期进行。

• Hyperspace Pirate
  XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

• middlet makes

  XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX