活塞式膨脹機是對外做功并產生冷量的機械。它靠壓力氣體在氣缸內的膨脹，推動活塞運動對外做功。氣體做功后，自身的內部能量減少，這個能量的減少就稱為膨脹機制冷量。
活塞是在氣缸內做往復運動的，活塞來回動作一次，就完成進氣-膨脹-排氣-余氣壓縮一個循環。現在以典型的活塞式膨脹機為例說明它的工作過程，如圖81所示。
1) 進氣過程1-2。當活塞頂部離上止點前10°時，凸輪機構把進氣活門頂開(1點)，高壓空氣開始進入氣缸。當活塞經過上止點，向下移至2點時，進氣活門關閉，進氣過程結束；
2)膨脹過程2-3。這一過程中，進、排氣活門全部關死，氣缸內高壓空氣膨脹推動活塞向下移動。高壓空氣在氣缸內膨脹時壓力降低。當活塞離下止點前2°30′(3點)時，排氣活門被凸輪機構頂開，膨脹過程結束；
3)排氣過程3-4。排氣活門打開后，開始排氣。由于飛輪的慣性，活塞到達下止點后繼續向上運動，活塞運動到4點時，排氣活門關閉，完成排氣過程；
4)余氣壓縮過程4-1。為了減小充氣損失和充氣沖擊力，排氣活門在進氣活門打開前提前關閉。在這一進、排氣活門同時關閉階段，氣缸中的余氣在活塞繼續向上運動時被壓縮，使氣缸內的壓力升高。直至活塞離上止點前10°，進氣活門打開時為止。然后又重復上述各過程。
膨脹機活塞做如上所述的往復運動，通過曲柄連桿向外輸出功，帶動電機工作并輸出電能。因此，膨脹機實際上是一個冷氣發動機，膨脹機拖動電機輸出電能可視為一個發電機組。氣體對外做功完全靠消耗氣體內部的能量，反映出氣體壓力降低，溫度降低，能量(焓)減小。即當氣體通過膨脹機時，從氣體內部引走一部分能量，轉化成機械功。而自身的能量減少，溫度降低，就稱為產生了冷量。