工作原理
- 气体膨胀制冷原理
：有一定压力和温度的气体具有内能，包括由压力体现的势能与由温度体现的动能。气体在膨胀机内进行绝热膨胀，近似等熵过程，气体通过喷咀时，压力和温度下降，速度上升。高速低温气体冲击叶轮，使叶轮高速转动，气体在叶轮通道中压力和速度进一步下降，内能降低，温度大幅降低，从而实现制冷。 - 气体轴承工作原理
：洁净的带压气体在轴与轴承之间形成气膜，气膜压力承托轴的重力，克服止推面的径向推力，使轴与轴承在工作状态下完全分离，保证轴的稳定运转，避免摩擦烧轴、损伤轴承及磕碰叶轮等事故。 -
结构特点
- 转子
：通常由膨胀机叶轮、增压机叶轮、密封轴套、螺帽及主轴组成。叶轮一般用铝合金等材料制造，主轴用高强度合金钢制成。转子在高速下运转，对其动平衡要求很高。 - 气体轴承
：一般将径向轴承和止推轴承复合于一体。径向轴承有两排小孔用于通入轴承气形成气膜以支撑轴的径向力，止推轴承带有气囊环槽及小孔来承受轴向推力。 - 密封装置
：常采用迷宫密封，在主轴或转子轴套上设置密封刺，机身上装有石墨或铅基合金等较软材料制成的密封件。工作时，中部通入常温清洁的密封气，可有效阻止低温气体外流。 - 蜗壳与喷咀
：蜗壳作为工作气体的进出口通道，使气体均匀分配给喷咀通道。喷咀由多个可转动的叶片组成，通过改变叶片角度来调节喷咀通道截面积，从而控制进入膨胀机的气量。 
- 转子
按运动形式和结构分：
- 活塞膨胀机
：主要适用于高压力比和小流量的中小型高、中压深低温设备。通过活塞在气缸内的往复运动，实现气体的膨胀过程，优点是膨胀比大，能适应较高压力变化，但结构相对复杂，流量较小。 - 透平膨胀机
：适用于大中型深低温设备。具有流量大、结构简单、体积小、运转周期长等特点，以气体膨胀时速度能的变化来传递能量，有单级和双级、立式和卧式、冲动式和反动式之分，一般采用单级向心径流反动式。 - 按应用场景分
：可分为空气分离用气体轴承膨胀机、天然气液化用气体轴承膨胀机、化工尾气回收用气体轴承膨胀机等，不同应用场景下的膨胀机在设计和参数上会有所不同，以适应具体的工艺要求。
应用领域
- 空气分离行业
：用于将空气中的氧气、氮气、氩气等气体进行分离和提纯，通过气体轴承膨胀机产生的低温环境，使空气液化，再利用各气体沸点不同进行分离。 - 天然气液化领域
：在天然气液化装置中，将高压天然气通过气体轴承膨胀机进行膨胀制冷，使其温度降低至液化温度，实现天然气的液化，便于储存和运输。 - 化工尾气回收
：可用于回收化工生产过程中排放的尾气中的有用成分，通过膨胀制冷使尾气中的目标成分冷凝回收，提高资源利用率，减少环境污染。 - 低温研究与实验
：为低温物理、材料科学等领域的研究提供低温环境，例如在超导材料研究中，需要利用气体轴承膨胀机产生的低温来研究材料的超导性能。
优缺点
- 优点
：采用气体轴承，几乎无摩擦和磨损，无需润滑油，避免了油对过程气体的污染；结构简单，运行可靠，维护成本低；转速高，效率高，能适应大流量、高压力的工作条件。 - 缺点
：对工作气体的洁净度要求极高，气体中的杂质可能堵塞轴承气通道或损坏轴承和叶轮；对安装和操作要求严格，需要精确控制轴承气压力、密封气压力等参数；在低负荷运行时，效率可能会下降。