活塞式膨胀机的工作过程与活塞式空气压缩机相反：当活塞向下移动时，进气阀被强制顶开，压缩空气进人气缸。活塞移动一段距离后，进气阀关闭。此时，压缩气体推动活塞移动，通过传动机构（活塞杆、十字头、连杆），带动曲轴旋转，对外做功。而气体本身体积膨胀，压力降低、温度下降。当活塞移到下边末端时，排气阀被顶开，活塞借助于膨胀机飞轮的惯性，将膨胀后的低压气体排出气缸，直到活塞移到上端为止。随后，进气阀又被打开，压缩空气进人气缸，重复上述动作。膨胀机连续运转，不断获得冷量。
活塞式膨胀机进、排气阀的打开，关闭，是靠专门的配气机构传动的。
