氣體膨脹制冷是人工制冷方法中發明最早的方法之一，是利用高壓氣體的絕熱膨脹來達到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復熱過程來制冷。氣體膨脹制冷系統由制冷換熱器、壓縮機、冷卻器以及膨脹機四部分組成。  

工作過程:低溫低壓的空氣或制冷劑在制冷換熱器中低壓吸熱升溫后進入壓縮機，被絕熱壓縮升溫升壓，然后進入冷卻器冷卻到常溫(將熱量釋放給環境介質水或空氣)后進入膨脹機，在膨脹機內進行絕熱膨脹，降溫降壓后進入制冷換熱器內繼續吸收被冷卻物體的熱量(實現制冷)，溫度升高后又被吸入到壓縮機進行新的循環。

常用的制冷工質為空氣、二氧化碳、氮氣等。