利用壓縮氣體膨脹降壓時向外輸出機械功使氣體溫度降低的原理以獲得冷量的機械。膨脹機常用於深低溫設備中。膨脹機按運動形式和結構分為活塞膨脹機和透平膨脹機兩類。活塞膨脹機主要適用於高壓力比和小流量的中小型高、中壓深低溫設備。透平膨脹機與活塞膨脹機相比，具有流量大、結構簡單、體積小、效率高和運轉週期長等特點，適用於大中型深低溫設備。
工作過程 圖1表示壓縮氣體從高壓>p1、溫度T1狀態在膨脹機中作等熵（S＝常數）膨脹至低壓p2，從點1沿等熵線與p2等壓線交於點2。點2的溫度T2即為等熵膨脹後的溫度。其溫差為ΔT=T1-T2，相應等熵焓降為Δh=h1-h2。在等熵膨脹過程中，氣體有部分內能轉化為功，同時為克服分子間的吸引力而使分子動能減少，從而降低瞭氣體溫度。但在實際工作過程中，因為有若幹能量損失，氣體膨脹時不可能達到狀態2，而隻能達到狀態2′，其實際溫差為△T′＝T1-
，相應實際焓降為 △
h′＝
h
1-
h
2
′，故絕熱效率是指膨脹機在膨脹過程中實際焓降與等熵焓降之比，即
η
S=△
h′/△
h=(
h
1-
h
2
′)/(
h
1-
h
2)。絕熱效率越高，越接近於等熵膨脹過程。一般膨脹機絕熱效率為60～85％。
活塞膨脹機 使氣體在可變容積中膨脹，輸出外功制冷的膨脹機(通常由電動機制動吸收外功)。這種膨脹機分立式和臥式兩種。采用較多的是立式結構（圖2），曲軸、連桿、十字頭、活塞、進氣閥和排氣閥等是運動件，分別裝在機身、氣缸和中間座中，其作用近似於往復活塞壓縮機，但其進、排氣閥系借進、排氣凸輪定時啟閉。活塞膨脹機由於存在進、排氣閥流動阻力、不完全膨脹、摩擦熱、外熱與內部熱交換等引起的冷量損失，一般絕熱效率為：高壓膨脹機65～85％，中壓膨脹機60～70％。20世紀50年代相繼出現的不用凸輪傳動機構的無閥和單閥膨脹機，減少瞭膨脹機的運動件，提高瞭機器運轉可靠性，已在小型深低溫設備上得到廣泛的應用。60年代，采用加填充劑的聚四氟乙烯密封元件代替用油潤滑的金屬制密封元件，避免潤滑油帶入深低溫精餾區或液化區，保證瞭安全。
透平膨脹機 以氣體膨脹時速度能的變化來傳遞能量的膨脹機。這種膨脹機有單級和雙級、立式和臥式、沖動式和反動式之分。一般采用單級向心徑流反動式(圖3)，傳出的外功由發電機、鼓風機或油制動器所吸收。它近似於單級離心壓縮機，但具有調節進氣量用的（可調葉片）導流器。低速軸承用油強制潤滑，高速的采用氣體軸承。透平膨脹機由於有噴嘴損失、葉輪損失、餘速損失、輪盤摩擦損失、泄漏損失、竄流損失和外熱侵入損失，一般絕熱效率為：中壓膨脹機65～75％，低壓膨脹機75～85％。60年代已制成帶液膨脹機，大多用於天然氣分離設備（見氣體分離設備）。