CN112576404B - 自由活塞和气缸组件以及斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自由活塞式发动机技术领域，公开了一种自由活塞和气缸组件以及斯特林发动机，其中自由活塞和气缸组件包括活塞和活塞气缸，活塞的外壁面与活塞气缸的内壁面之间形成间隙密封，以将发动机的内腔分隔为压缩腔和背腔，还包括套设于活塞气缸的外侧的气缸夹套，气缸夹套沿活塞气缸的周向设有第一空腔，第一空腔通过至少一个第一节流孔连通于背腔。该自由活塞和气缸组件利用第一空腔和第一节流孔的结构，将背腔波动的压力隔断，降低了气缸壁的变形，减少了因为变形引起的部件磨损，同时大幅降低了卡死的可能性，提升了装置的性能与使用寿命。

Description

自由活塞和气缸组件以及斯特林发动机

技术领域

本发明涉及自由活塞式发动机技术领域，尤其涉及一种自由活塞和气缸组件以及斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机又称热气机，它是一种外燃、闭式循环、往复活塞式的能量转换装置。斯特林发动机按斯特林循环进行工作，它包括两个等温过程和两个等容过程，具有和卡诺循环相同的热效率。斯特林热机具有污染物的排放率低，效率高、噪音低、运转特性好、工作可靠，对能源的适应性广等诸多优点，被广泛应用在轮船、汽车、航天航空等领域，因此对大功率斯特林发动机的需求越来越大。

大功率自由活塞斯特林发动机内部是一个高压环境，在自由活塞斯特林大功率化的过程中，系统的尺寸越来越大，由此带来的活塞和气缸的变形问题越来越严重。同时，为了增加功率密度，系统的工作压力也越来越高，所以内部的压力波动也是越来越大，峰值可以达到2MPa。由于大功率自由活塞斯特林发动机在运行的时候，压缩腔和背腔的压力波动比较大，所以气缸的内壁面和外壁面存在很大的压力差，气缸在这样的压力分布情况下工作时，会导致气缸壁面发生严重的变形，变形量可以达到数十微米，与活塞与气缸之间的设计间隙相当。而现有的自由活塞斯特林发动机多采用间隙密封，通过在被密封的工质中产生压力降来达到密封的目的。此变形会导致活塞与气缸之间的间隙宽度发生巨大的变化，间隙会周期性的变大与缩小，进而导致间隙泄露增加，活塞与气缸之间发生磨损，情况严重者甚至可导致活塞与气缸卡死，使得系统故障停机。

现有的技术针对上述问题的解决办法，基本就是简单的增加气缸的壁厚，增强气缸的刚度，从而减小活塞与气缸间隙的变形量。但是这种方法对于压缩腔和背腔压力波动较小的情况会有一定的改善，在压力波动大的情况下，此种方法改善效果不佳。此外增加壁厚会增加系统的质量，使得系统更为笨重。

发明内容

本发明实施例提供一种自由活塞和气缸组件以及斯特林发动机，用以解决现有的自由活塞式发动机的气缸变形所导致的间隙密封破坏、壁面出现磨损卡死的问题，以提高设备性能与寿命。

本发明实施例提供一种自由活塞和气缸组件，包括活塞和活塞气缸，所述活塞的外壁面与所述活塞气缸的内壁面之间形成间隙密封，以将发动机的内腔分隔为压缩腔和背腔，还包括套设于所述活塞气缸的外侧的气缸夹套，所述气缸夹套沿所述活塞气缸的周向设有第一空腔，所述第一空腔通过至少一个第一节流孔连通于所述背腔。

其中，所述活塞内设有第二空腔，所述第二空腔通过至少一个第二节流孔连通于所述背腔。

其中，所述活塞包括活塞筒体以及开设有所述第二节流孔的活塞盖板，所述活塞筒体的封闭端朝向所述压缩腔，所述活塞筒体的开口端朝向所述背腔；所述活塞盖板盖接于所述开口端；或者，所述活塞盖板的边缘连接于所述活塞筒体的中部的内壁。

其中，所述气缸夹套包括同轴套设于所述活塞气缸的外侧的套管，所述套管与所述活塞气缸之间具有间距；所述第一节流孔开设于所述套管的侧壁；所述套管的两端分别连接于所述活塞气缸的两端；或者，所述套管靠近所述压缩腔的一端连接于所述活塞气缸靠近所述压缩腔的一端，所述套管的另一端连接于所述活塞气缸的外壁面。

其中，所述套管靠近所述背腔的一端通过O形密封圈连接于所述活塞气缸。

其中，所述活塞气缸靠近所述压缩腔的一端的壁厚大于所述活塞气缸靠近所述背腔的一端的壁厚。

本发明实施例还提供一种斯特林发动机，包括上述自由活塞和气缸组件，所述斯特林发动机中的动力转换装置的活塞和气缸对应采用所述自由活塞和气缸组件中的所述活塞和所述活塞气缸。

其中，还包括动力调相装置，所述动力调相装置包括排出器、排出器气缸和气体弹簧，所述排出器为工字型结构，包括依次连接的热端活塞块、中间连杆和冷端活塞块；所述排出器气缸的中部设有圆形法兰，以将所述排出器气缸分隔为热端缸体和冷端缸体，所述冷端缸体连接于所述活塞气缸；所述气体弹簧包括热端气体弹簧和冷端气体弹簧；所述中间连杆穿设于所述圆形法兰，所述热端活塞块与所述热端缸体间隙配合，以将所述热端缸体分隔为膨胀腔和所述热端气体弹簧；所述冷端活塞块与所述冷端缸体间隙配合，以将所述冷端缸体分隔为所述冷端气体弹簧和所述压缩腔。

其中，所述冷端活塞块为U形结构，所述冷端缸体包括同轴套接的内套筒和外套筒，所述内套筒的一端与所述外套筒固接，所述内套筒的另一端与所述圆形法兰之间具有间距；所述冷端活塞块与所述内套筒的内壁间隙配合。

其中，所述热端活塞块和所述中间连杆的内部均设有空腔。

本发明实施例提供的自由活塞和气缸组件以及斯特林发动机，其中自由活塞和气缸组件包括活塞、活塞气缸以及套设于活塞气缸的外侧的气缸夹套，活塞的外壁面与活塞气缸的内壁面之间形成间隙密封，以将发动机的内腔分隔为压缩腔和背腔，气缸夹套内设有第一空腔，第一空腔通过第一节流孔连通于背腔。在第一空腔与第一节流孔的共同作用下，达到对目标部件所处环境的压力波动隔断的效果，从而降低目标部件的变形量。当进行充气的时候，可以保证装置内部各个部件都处于相同的压力，此时第一空腔与背腔压力相等；当开始运行时，背腔压力在初始压力的附近进行周期性波动，波动频率比较高，此时第一节流孔会抑制背腔波动的压力传入第一空腔，使得第一空腔中的压力在运行的过程中一直保持平均压力，从而导致活塞气缸的内外压力差会大幅下降。该自由活塞和气缸组件利用第一空腔和第一节流孔的结构，将背腔波动的压力隔断，降低了气缸壁的变形，减少了因为变形引起的部件磨损，同时大幅降低了卡死的可能性，提升了装置的性能与使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种自由活塞和气缸组件的剖视图；

图2是本发明实施例中的另一种自由活塞和气缸组件的剖视图；

图3是一种大功率自由活塞斯特林发动机运行时的背腔压力和压缩腔压力的压力变化示意图；

图4是一种大功率自由活塞斯特林发动机运行时的活塞和活塞气缸的一种变形结果；

图5是一种大功率自由活塞斯特林发动机运行时的活塞和活塞气缸的另一种变形结果；

图6是本发明实施例中的又一种自由活塞和气缸组件的剖视图；

图7是本发明实施例中的一种斯特林发动机的剖视图；

附图标记说明：

1：活塞； 11：第二空腔； 12：第二节流孔；

13：活塞盖板； 2：活塞气缸； 21：连接法兰；

3：气缸夹套； 31：第一空腔； 32：第一节流孔；

33：O形密封圈； 4：排出器； 41：热端活塞块；

42：中间连杆； 43：冷端活塞块； 5：排出器气缸；

51：热端缸体； 52：圆形法兰； 53：冷端缸体；

531：内套筒； 532：外套筒； 6：热力转换器；

61：高温端换热器； 62：回热器； 63：室温端换热器；

71：热端气体弹簧； 72：冷端气体弹簧； 8：发动机壳体；

9：定子； 10：背腔； 20：压缩腔；

30：膨胀腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

图1是本发明实施例中的一种自由活塞和气缸组件的剖视图，如图1所示，本发明实施例提供的一种自由活塞和气缸组件，包括活塞1和活塞气缸2，活塞1的外壁面与活塞气缸2的内壁面之间形成间隙密封，以将发动机的内腔分隔为压缩腔20和背腔10。还包括套设于活塞气缸2的外侧的气缸夹套3，气缸夹套3沿活塞气缸2的周向设有第一空腔31，第一空腔31通过至少一个第一节流孔32连通于背腔10。

具体地，活塞1可以为实心的或空心的柱状体，或者为一端开口、一端封闭的筒体。对于功率较小的发动机，活塞1可以采用实心柱状体，而对于大功率发动机(大于或者等于100kW)，活塞1可以采用空心的柱状体或者筒体结构，以减小发动机的体积和重量。本实施例中以筒体结构的活塞1为例进行说明。

活塞气缸2为两端开口的筒体结构，活塞气缸2同轴套接于活塞1的外侧。活塞1的上方腔体为压缩腔20，活塞1的下方腔体为背腔10。运行时，利用压缩腔20的压力变化带动活塞1在活塞气缸2内进行往复直线运动，然后通过活塞1连接于发动机的定子，将机械能进一步转换为电能输出。活塞1与活塞气缸2之间具有一定的间隙，该间隙的大小需要保证既能达到密封的效果，又能最小程度的影响装置的整体性能。

气缸夹套3为套设于活塞气缸2的外侧的套筒，且气缸夹套3内设有第一空腔31，第一空腔31沿活塞气缸2的周向设置，为一圆筒形空腔。第一空腔31通过至少一个第一节流孔32连通于背腔10，第一节流孔32的数量可以为一个或者多个，本实施例中以一个第一节流孔32为例进行说明。当进行充气的时候，由于充气持续时间长，背腔10和压缩腔20内的压力缓慢升高，因而内部各个部件都处于相同的压力，此时第一节流孔32起到连通内外的作用，第一空腔31与背腔10的压力相等。当开始运行时，背腔10的压力在初始压力的附近进行周期性波动，波动频率比较高，此时第一节流孔32产生阻力，会抑制背腔10波动的压力传入第一空腔31，使得第一空腔31中的压力在运行的过程中一直保持平均压力(即初始充气压力)。

本实施例提供的一种自由活塞和气缸组件，包括活塞、活塞气缸以及套设于活塞气缸的外侧的气缸夹套，活塞的外壁面与活塞气缸的内壁面之间形成间隙密封，以将发动机的内腔分隔为压缩腔和背腔，气缸夹套内设有第一空腔，第一空腔通过第一节流孔连通于背腔。在第一空腔与第一节流孔的共同作用下，达到对目标部件所处环境的压力波动隔断的效果，从而降低目标部件的变形量。当进行充气的时候，可以保证装置内部各个部件都处于相同的压力，此时第一空腔与背腔压力相等；当开始运行时，背腔压力在初始压力的附近进行周期性波动，波动频率比较高，此时第一节流孔会抑制背腔波动的压力传入第一空腔，使得第一空腔中的压力在运行的过程中一直保持平均压力，从而导致活塞气缸的内外压力差会大幅下降。该自由活塞和气缸组件利用第一空腔和第一节流孔的结构，将背腔波动的压力隔断，降低了气缸壁的变形，减少了因为变形引起的部件磨损，同时大幅降低了卡死的可能性，提升了装置的性能与使用寿命。

进一步地，如图1所示，活塞1内设有第二空腔11，第二空腔11通过至少一个第二节流孔12连通于背腔10。具体地，活塞1可以采用空心的柱状体结构，且在活塞1的下端(即朝向背腔10的一端)开设第二节流孔12，第二空腔11和第二节流孔12的作用与第一空腔31和第一节流孔32的作用类似，此处不再赘述。

更进一步地，如图1所示，活塞1包括活塞筒体以及开设有第二节流孔12的活塞盖板13，活塞筒体的封闭端朝向压缩腔20，活塞筒体的开口端朝向背腔10。活塞盖板13可以盖接于开口端。具体地，活塞筒体的上端为封闭端，下端为开口端，内部中空。活塞盖板13可以为弧形圆板，且凸面朝向背腔10，可以提高活塞1的承压能力。活塞盖板13的边缘与活塞筒体的开口端之间可以通过螺栓连接，也可以直接焊接、粘接或者一体化成型。

或者，如图2所示，活塞盖板13的边缘还可以连接于活塞筒体的中部的内壁。具体地，活塞筒体的中部的内壁向内延伸出一圈凸缘，活塞盖板13的边缘向下弯折，因而可以保证活塞盖板13被该凸缘卡住以实现定位。活塞盖板13的边缘与该凸缘之间可以通过螺栓连接，也可以直接焊接、粘接或者一体化成型。

更进一步地，如图1所示，气缸夹套3包括同轴套设于活塞气缸2的外侧的套管，套管与活塞气缸2之间具有间距，距离可以为1～4mm。第一节流孔32开设于套管的侧壁。套管的两端分别连接于活塞气缸2的两端。具体地，套管为一两端开口的圆管，且套管的直径大于活塞气缸2的外径。套管的上端沿径向向外延伸出外凸缘，通过外凸缘连接于活塞气缸2的上端的连接法兰21。活塞气缸2可以通过连接法兰21连接于发动机壳体8。套管的下端沿径向向内延伸出内凸缘，通过内凸缘连接于活塞气缸2的下端。套管与活塞气缸2之间可以通过螺栓连接，也可以直接焊接、粘接或者一体化成型。

或者，如图2所示，套管靠近压缩腔20的一端连接于活塞气缸2靠近压缩腔20的一端，套管的另一端连接于活塞气缸2的外壁面。具体地，套管的上端连接于活塞气缸2的上端，套管的下端套接于活塞气缸2的中部的外壁面。

图1和图2分别示出了活塞盖板13与活塞筒体之间的两种连接形式，以及气缸夹套3和活塞气缸2之间的两种连接形式，因而两两组合可以构成四种形式的自由活塞和气缸组件。优选地，可以采用图1或者图2中的组合方式，即当活塞盖板13盖接于活塞1的开口端时，气缸夹套3的套管的两端分别连接于活塞气缸2的两端；或者当活塞盖板13的边缘连接于活塞筒体的中部的内壁时，套管的上端连接于活塞气缸2的上端，套管的下端套接于活塞气缸2的中部的外壁面。

结合对大功率自由活塞斯特林发动机运行状态研究与分析(分析结果如图3)，可以得到背腔10的压力波动与压缩腔20的压力波动之间的相位差接近180°的变化规律，即在压缩腔20的压力达到最大值时，背腔10的压力最小，两者的压差达到最大值。图4和图5分别示出了一种未使用气缸夹套3和活塞盖板13的大功率自由活塞斯特林发动机，在运行时的活塞1和活塞气缸2的变形结果，图4为压缩腔20的压力最小、背腔10的压力最大时活塞1和活塞气缸2的变形结果，图5为压缩腔20的压力最大、背腔10的压力最小时活塞1和活塞气缸2的变形结果。从图4和图5可以看出，在未使用气缸夹套3和活塞盖板13时，活塞1和活塞气缸2的壁面内外存在很大的压力差，因而会导致活塞1的壁面和活塞气缸2的壁面发生变形，进而导致活塞1和活塞气缸2之间的间隙会周期性的变大与缩小。

同时，由于活塞1的壁面内外压力差和活塞气缸2的壁面内外压力差从左到右逐渐减小。如图4所示，压缩腔20的压力最大，背腔10的压力最小，此时活塞1的左侧壁面和活塞气缸2的左侧壁面相互靠近，变形量最大；活塞1的右侧壁面和活塞气缸2的右侧壁面基本保持原位不变，变形量最小。同样地，如图5所示，压缩腔20的压力最小，背腔10的压力最大，此时活塞1的左侧壁面和活塞气缸2的左侧壁面相互远离，变形量最大；活塞1的右侧壁面和活塞气缸2的右侧壁面基本保持原位不变，变形量最小。

由于活塞1和活塞气缸2的壁面内外压力差从左到右逐渐减小，因而活塞1和活塞气缸2的右半部分可以维持原始结构，仅在活塞1和活塞气缸2的左半部分设置气缸夹套3和活塞盖板13，如图2所示。这样既可以将活塞1和活塞气缸2的左侧的内外壁面的压力差减小，又避免了活塞1和活塞气缸2的右侧由于压差小幅增大带来的右侧变形小幅增加的问题，最大程度地降低了活塞1和活塞气缸2的形变，对大功率自由活塞斯特林发动机的性能与使用寿命有进一步的提升。

更进一步地，如图1～图2所示，套管靠近背腔10的一端通过O形密封圈33连接于活塞气缸2。

进一步地，如图6所示，活塞气缸2靠近压缩腔20的一端的壁厚大于活塞气缸2靠近背腔10的一端的壁厚。结合图4和图5可知，活塞气缸2的左半部分变形量较大，因而通过对变形比较大的区域进行局部加厚，可以增强活塞气缸2的刚度，进一步降低活塞气缸2的变形，从而提升大功率自由活塞斯特林发动机的性能与使用寿命。

如图7所示，本发明实施例还提供一种斯特林发动机，包括上述自由活塞和气缸组件，斯特林发动机中的动力转换装置的活塞和气缸对应采用自由活塞和气缸组件中的活塞1和活塞气缸2。具体地，发动机壳体8内还设置有定子9，活塞1的下端设有与定子9磁力连接的动子，以将活塞1的往复运动转换为电能。

进一步地，还包括动力调相装置，动力调相装置包括排出器4、排出器气缸5和气体弹簧，排出器4为工字型结构，包括依次连接的热端活塞块41、中间连杆42和冷端活塞块43。排出器气缸5的中部设有圆形法兰52，以将排出器气缸5分隔为热端缸体51和冷端缸体53，冷端缸体53连接于活塞气缸2。气体弹簧包括热端气体弹簧71和冷端气体弹簧72。中间连杆42穿设于圆形法兰52，热端活塞块41与热端缸体51间隙配合，以将热端缸体51分隔为膨胀腔30和热端气体弹簧71。冷端活塞块43与冷端缸体53间隙配合，以将冷端缸体53分隔为冷端气体弹簧72和压缩腔20。

具体地，本实施例中的斯特林发动机的内部腔体被活塞1和排出器4划分为三个腔室，由下至上依次为背腔10、压缩腔20和膨胀腔30。圆形法兰52、中间连杆42、热端活塞块41和热端缸体51之间围设的空腔构成热端气体弹簧71，圆形法兰52、中间连杆42、冷端活塞块43和冷端缸体53之间围设的空腔构成冷端气体弹簧72，在排出器4往复运动的过程中起到缓冲作用。

更进一步地，还包括热力转换器6，热力转换器6包覆于热端缸体51的外侧。热力转换器6用于将外界的热能转换为排出器4的往复运动。热力转换器6包括由上至下依次连接的高温端换热器61、回热器62和室温端换热器63。本实施例中的大功率自由活塞斯特林发动机的工作原理为：采用燃烧器或太阳能集热装置等给高温端换热器61持续加入热量，当工质气体的温度被加热到起振温度时，热发动机系统产生自激振荡，工作频率在几十至上百赫兹。工质气体在膨胀腔30被加热，膨胀做功，驱动排出器4下移，压缩压缩腔20内的工质气体，被压缩的工质气体将热量放出给室温端换热器63。该工质气体一部分进入回热器62进行换热，另一部分则驱动活塞1下移，切割定子的磁力线，将热能转换为电能输出。气体工质的周期性膨胀和压缩使排出器4和活塞1获得机械能，活塞1带动动子做往复的切割磁力线的运动，从而将机械能转换为电能。

更进一步地，冷端活塞块43为U形结构，冷端缸体53包括同轴套接的内套筒531和外套筒532，内套筒531的下端与外套筒532固接，内套筒531的上端与圆形法兰52之间具有间距。冷端活塞块43与内套筒531的内壁间隙配合。通过将冷端活塞块43设置为U形结构，可以增加冷端活塞块43和冷端缸体53之间间隙密封长度，提高密封效果。

更进一步地，热端活塞块41和中间连杆42的内部均设有空腔，可以起到缓冲管的作用。

更进一步地，压缩腔20的体积可以根据实际需求设计为最适宜的体积，可以通过增加斜板、改变冷端活塞块43和活塞1的形状来进行调节。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的自由活塞和气缸组件以及斯特林发动机，其中自由活塞和气缸组件包括活塞、活塞气缸以及套设于活塞气缸的外侧的气缸夹套，活塞的外壁面与活塞气缸的内壁面之间形成间隙密封，以将发动机的内腔分隔为压缩腔和背腔，气缸夹套内设有第一空腔，第一空腔通过第一节流孔连通于背腔。在第一空腔与第一节流孔的共同作用下，达到对目标部件所处环境的压力波动隔断的效果，从而降低目标部件的变形量。当进行充气的时候，可以保证装置内部各个部件都处于相同的压力，此时第一空腔与背腔压力相等；当开始运行时，背腔压力在初始压力的附近进行周期性波动，波动频率比较高，此时第一节流孔会抑制背腔波动的压力传入第一空腔，使得第一空腔中的压力在运行的过程中一直保持平均压力，从而导致活塞气缸的内外压力差会大幅下降。该自由活塞和气缸组件利用第一空腔和第一节流孔的结构，将背腔波动的压力隔断，降低了气缸壁的变形，减少了因为变形引起的部件磨损，同时大幅降低了卡死的可能性，提升了装置的性能与使用寿命。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种自由活塞和气缸组件，包括活塞和活塞气缸，所述活塞的外壁面与所述活塞气缸的内壁面之间形成间隙密封，以将发动机的内腔分隔为压缩腔和背腔，其特征在于，还包括套设于所述活塞气缸的外侧的气缸夹套，所述气缸夹套沿所述活塞气缸的周向设有第一空腔，所述第一空腔通过至少一个第一节流孔连通于所述背腔；

所述活塞内设有第二空腔，所述第二空腔通过至少一个第二节流孔连通于所述背腔；

所述活塞包括活塞筒体以及开设有所述第二节流孔的活塞盖板，所述活塞筒体的封闭端朝向所述压缩腔，所述活塞筒体的开口端朝向所述背腔；

所述活塞盖板盖接于所述开口端；或者，所述活塞盖板的边缘连接于所述活塞筒体的中部的内壁；

所述气缸夹套包括同轴套设于所述活塞气缸的外侧的套管，所述套管与所述活塞气缸之间具有间距；所述第一节流孔开设于所述套管的侧壁；

所述套管的两端分别连接于所述活塞气缸的两端；或者，所述套管靠近所述压缩腔的一端连接于所述活塞气缸靠近所述压缩腔的一端，所述套管的另一端连接于所述活塞气缸的外壁面。

2.根据权利要求1所述的自由活塞和气缸组件，其特征在于，所述套管靠近所述背腔的一端通过O形密封圈连接于所述活塞气缸。

3.根据权利要求1所述的自由活塞和气缸组件，其特征在于，所述活塞气缸靠近所述压缩腔的一端的壁厚大于所述活塞气缸靠近所述背腔的一端的壁厚。

4.一种斯特林发动机，其特征在于，包括如权利要求1至3中任一项所述的自由活塞和气缸组件，所述斯特林发动机中的动力转换装置的活塞和气缸对应采用所述自由活塞和气缸组件中的所述活塞和所述活塞气缸。

5.根据权利要求4所述的斯特林发动机，其特征在于，还包括调相装置，所述调相装置包括排出器、排出器气缸和气体弹簧，所述排出器为工字型结构，包括依次连接的热端活塞块、中间连杆和冷端活塞块；所述排出器气缸的中部设有圆形法兰，以将所述排出器气缸分隔为热端缸体和冷端缸体，所述冷端缸体连接于所述活塞气缸；所述气体弹簧包括热端气体弹簧和冷端气体弹簧；

所述中间连杆穿设于所述圆形法兰，所述热端活塞块与所述热端缸体间隙配合，以将所述热端缸体分隔为膨胀腔和所述热端气体弹簧；所述冷端活塞块与所述冷端缸体间隙配合，以将所述冷端缸体分隔为所述冷端气体弹簧和所述压缩腔。

6.根据权利要求5所述的斯特林发动机，其特征在于，所述冷端活塞块为U形结构，所述冷端缸体包括同轴套接的内套筒和外套筒，所述内套筒的一端与所述外套筒固接，所述内套筒的另一端与所述圆形法兰之间具有间距；所述冷端活塞块与所述内套筒的内壁间隙配合。

7.根据权利要求5所述的斯特林发动机，其特征在于，所述热端活塞块和所述中间连杆的内部均设有空腔。

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