自由活塞斯特林技术具有长寿命、高可靠性、绿色无污染、潜在效率高等诸多优点，在能源问题和环境问题日益严重的当今极具科研价值和市场前景。目前对于自由活塞斯特林技术的研究机构多集中于美国，国内对于自由活塞斯特林技术的研究起步较晚，技术也相对落后。基于这样的一个研究背景，本文开展了对自由活塞斯特林发动机、制冷机以及热泵的理论与实验研究。　　1.自由活塞斯特林发电机的研究　　利用自由活塞斯特林发动机驱动直线电机的装置通常称之为自由活塞斯特林发电机，也是目前自由活塞斯特林发动机的主要应用形式。本文设计并组建了一台1 kW的自由活塞斯特林发电机，利用Sage软件，搭建了自由活塞斯特林发电机的计算模型，加入了直线电机的电学平衡方程，对其进行了初步的性能预测。实验主要考察了其在不同温度热源下的输出特性。在930 K高温热源温度下，获得了最大762 W的输出电功以及最高19.1％的热电效率。　　2.自由活塞斯特林热泵的研究　　指出了采用传统结构的自由活塞斯特林热泵存在的问题，即高温端换热器位于靠近直线电机侧，容易导致直线电机内部温度过高。为此提出了热机部分反向布置的结构，交换了高温端与室温端换热器的位置，避免了直线电机工作于高温环境所造成不利影响。设计并组建了一台采用反向布置结构的1kW自由活塞斯特林热泵，通过实验考察了泵热温升、输入电功、运行频率以及回热器类型对系统性能的影响。在20～50、0～50、-20～50℃的泵热温升下分别获得了1.75、1.5与1.4的整机COP。　　3.自由活塞斯特林制冷机的研究　　介绍了一台1 kW自由活塞斯特林制冷机的结构及具体参数，利用Sage软件，对其性能进行了初步的预测，从热声学的观点揭示了自由活塞斯特林制冷机的工作机理。搭建了相应的实验平台，主要考察了该机在普冷温区的制冷情况，并与计算结果进行了对比。实验结果表明，当室温端温度维持在30℃，冷头温度分别为-20℃、-30℃、-40℃以及-80℃时，整机所能达到的最高COP分别为:0.73、0.64、0.55与0.20。　　4.自由活塞斯特林发动机的CFD模拟　　对本文所研究的1 kW自由活塞斯特林发动机展开了CFD模拟，考察了发动机内部的温度场、流场分布，发现回热器和换热器内的温度场与流场比较均匀，但压缩腔、膨胀腔的温度场、流场的不均匀性明显。将CFD的计算结果与Sage计算结果进行了对比，指出忽略漏热等因素是CFD中相对卡诺效率计算值偏高的主要原因。按照拉格朗日方法，考察了几个代表性的气体微团在一个周期内的状态变化，绘制了这些微团的p-v图以及T-s图，从介观热力学的角度，揭示了自由活塞斯特林发动机的工作机理。最后，又设计了一种采用液态金属传热的自由活塞斯特林发动机热头，利用数值模拟证明了，该热头结构在满足强度要求的同时，有效地减小了传热温差。