活塞式膨胀机是对外做功并产生冷量的机械。它靠压力气体在气缸内的膨胀，推动活塞运动对外做功。气体做功后，自身的内部能量减少，这个能量的减少就称为膨胀机制冷量。
活塞是在气缸内做往复运动的，活塞来回动作一次，就完成进气-膨胀-排气-余气压缩一个循环。现在以典型的活塞式膨胀机为例说明它的工作过程，如图81所示。
1) 进气过程1-2。当活塞顶部离上止点前10°时，凸轮机构把进气活门顶开(1点)，高压空气开始进入气缸。当活塞经过上止点，向下移至2点时，进气活门关闭，进气过程结束；
2)膨胀过程2-3。这一过程中，进、排气活门全部关死，气缸内高压空气膨胀推动活塞向下移动。高压空气在气缸内膨胀时压力降低。当活塞离下止点前2°30′(3点)时，排气活门被凸轮机构顶开，膨胀过程结束；
3)排气过程3-4。排气活门打开后，开始排气。由于飞轮的惯性，活塞到达下止点后继续向上运动，活塞运动到4点时，排气活门关闭，完成排气过程；
4)余气压缩过程4-1。为了减小充气损失和充气冲击力，排气活门在进气活门打开前提前关闭。在这一进、排气活门同时关闭阶段，气缸中的余气在活塞继续向上运动时被压缩，使气缸内的压力升高。直至活塞离上止点前10°，进气活门打开时为止。然后又重复上述各过程。
膨胀机活塞做如上所述的往复运动，通过曲柄连杆向外输出功，带动电机工作并输出电能。因此，膨胀机实际上是一个冷气发动机，膨胀机拖动电机输出电能可视为一个发电机组。气体对外做功完全靠消耗气体内部的能量，反映出气体压力降低，温度降低，能量(焓)减小。即当气体通过膨胀机时，从气体内部引走一部分能量，转化成机械功。而自身的能量减少，温度降低，就称为产生了冷量。
