本发明提供一种自由活塞式膨胀压缩机，包括：同轴设置的压缩气缸、膨胀气缸、压缩活塞、膨胀活塞、动子部件、谐振弹簧和活塞轴；压缩气缸的两端设有敞口，压缩气缸的第一端与排气装置连接，压缩活塞套设在压缩气缸的第二端内；膨胀气缸的两端设有敞口，膨胀气缸的第一端与进排气装置连接；膨胀活塞套设在膨胀气缸的第二端内；压缩活塞通过活塞轴与膨胀活塞连接；谐振弹簧设置于活塞轴处；动子部件驱动压缩活塞、膨胀活塞和活塞轴沿轴向活动设置。本发明通过活塞轴将膨胀腔产生的机械功直接驱动压缩机，谐振弹簧作为储能元件，能够起到较好的谐振作用，改善膨胀压缩机的动力学特性，提高膨胀功回收效率，进而提升大压差系统热力循环性能。