低溫制冷機的工作原理有兩種:一種是單級壓縮制冷;一種是兩級或復疊式制冷。
單級壓縮制冷系統 當應用合適的制冷劑時，其蒸發溫度只能達到-35~ -25℃。若需要獲得更低的蒸發溫度，單級壓縮制冷機是無能為力的。其主要原因是壓力比Pt/P0的值太大而帶來一系列問題。
單級壓縮制冷機所能達到的蒸發溫度t0取決于蒸發壓力P0，而P0是取決于冷凝壓力Pk及壓力比Pk/P0。我們知道，冷凝壓力Pk由冷凝溫度所決定，冷凝溫度又取決于環境介質(水或空氣)的溫度。環境介質的溫度變化范圍也有限，不可能取得很低。為此，在單級壓縮中要獲得低蒸發溫度，其壓力比就會很大，而壓力比過大會產生下列問題:
壓縮機排氣溫度過高，使潤滑油的黏度急劇下降，影響壓縮機的潤滑。當排氣溫度與潤滑油的閃點接近時，會使潤滑油炭化，以致在閥片上產生結炭現象。壓縮比增大時壓縮機的輸氣系數大為降低，壓縮機的輸氣量及效率顯著下降。液體制冷劑節流時引起的損失增加，使制冷循環的經濟性下降。
一般規定，采用氟利昂制冷劑的單級壓縮機的最大壓力比不應超過10。當壓力比等于10時，在不同冷凝溫度時一些常用的中溫制冷劑所能達到的最低蒸發溫度見表7-11。
因此，單級壓縮制冷要獲得-35℃以下的低溫是很難實現的，而必須采用兩級壓縮方式予以解決，以降低壓力比，見表7-12。
兩級壓縮制冷 將一臺低壓級壓縮機和一臺高壓級壓縮機串聯起來，使制冷劑在其中依次進行兩次壓縮，這樣可以做到每級壓縮機的壓力比都不過大，而總的壓力比雖然很高，但被高、低壓兩級壓縮機分擔了，見表7-13。
從表7-13可以看出，兩級壓縮制冷低壓級與高壓級的壓力比分別遠遠小于單級壓縮比。采用兩級壓縮，一般可制取-70~-40℃的低溫。若要獲得更低的溫度(-130~-80%),就必須采用復疊式制冷方式。
