活塞式膨胀机是通过气体膨胀推动活塞向外界输出功以产生制冷量的机器。工质在气缸内推动活塞输出外功，同时本身内能降低。因此，膨胀机也是一种
气体发动机，所不同的是以使气体冷却获得冷量为主，利用机械功是次要的。一般来说，活塞膨胀机多适用于中、高压小流量领域。
活塞式膨胀机分立式和卧式两种。采用较多的是立式结构，曲轴、连杆、十字头、活塞、进气阀和排气阀等是运动件，分别装在机身、气缸和中间座中，其作用近似于往复活塞压缩机，但其进、排气阀系借进、排气凸轮定时启闭。活塞膨胀机由于存在进、排气阀流动阻力、不完全膨胀、摩擦热、外热与内部热交换等引起的冷量损失，一般绝热效率为：高压膨胀机65～85%，中压膨胀机60～70%。20世纪50年代相继出现的不用凸轮传动机构的无阀和单阀膨胀机，减少了膨胀机的运动件，提高了机器运转可靠性，已在小型深低温设备上得到广泛的应用。60年代，采用加填充剂的
聚四氟乙烯密封元件代替用油润滑的金属制密封元件，避免润滑油带入深低温精馏区或液化区，保证了安全。
调节活塞式膨胀机产生冷量的方法主要有改变膨胀机转速，改变充气度和节流调节三种。利用节流，降低进气压力的方法来调节产冷量，最为简单，在结构上也不需要专门设备，但这种方法也最不经济。目前，调节膨胀机产冷量的最广泛的方法是改变充气度( 或停气比)。充气度增加, 通过膨胀机的空气量增加，因而制冷量增大。根据一些膨胀机的实验研究，充气度改变时，特别是在接近于最佳充气度附近的范围内改变时，绝热效率是变化不大的。因而这种调节方法是应用最广泛而有效的。
充气度调节要比降低进气压力调节优越；在不大的调节范围( 产冷量变化从100%至85%) 内，可以采用降低压力的调节而不会有太大的损失；为了得到必需的产冷量，在改变压力调节时，通过膨胀机的气体量要比调节停气比时的气体量来得大，而这两气体量的差别，是随着调节程度的增加而增大。
活塞式膨胀机广泛应用于
空分装置及液化装置，尤其是在高压、小体积流量条件下。1934年前苏联的卡皮查提出用活塞式膨胀机替代液氢进行预冷实现氦气液化，真正实现则是到了20世纪50年代，美国的Collins做出了带活塞式膨胀机预冷的氦液化器，但该产品在低温下活塞和气缸容易卡住，难以稳定工作。针对这个问题，1962年，
中国科学院物理研究所低温物理研究室（中国科学院理化技术研究所前身）周远提出采用室温密封长活塞结构替代原卡皮查结构的方案，并于1964年研制成功，实现了带活塞式膨胀机预冷氦液化器的稳定运行，1965年获得生产推广。