其主要原理是利用有一定壓力的氣體在透平膨脹機內進行絕熱膨脹對外做功而消耗氣體本身的內能,從而使氣體自身強烈地冷卻而達到製冷的目的。
我們平常用氣筒打氣會發現筒身發熱,那是因為活塞壓縮氣體氣體放熱,如果反之其原理就類似於膨脹機了(更確切的説是活塞式膨脹機)。透平膨脹機輸出的能量由同軸壓縮機回收或制動風機消耗。
效率實現單級結構,以徑流向心式最為合理,容易滿足上述要求。但是,在規定的葉輪徑尺寸下,徑流向心式通過氣量的能力小於軸流式,因此對於中壓流程,更大流量與更大焓降的透平膨脹機,並不排斥將透平膨脹機設計成具有反動度的多級軸流式。