低温制冷机的工作原理有两种:一种是单级压缩制冷;一种是两级或复叠式制冷。
单级压缩制冷系统 当应用合适的制冷剂时，其蒸发温度只能达到-35~ -25℃。若需要获得更低的蒸发温度，单级压缩制冷机是无能为力的。其主要原因是压力比Pt/P0的值太大而带来一系列问题。
单级压缩制冷机所能达到的蒸发温度t0取决于蒸发压力P0，而P0是取决于冷凝压力Pk及压力比Pk/P0。我们知道，冷凝压力Pk由冷凝温度所决定，冷凝温度又取决于环境介质(水或空气)的温度。环境介质的温度变化范围也有限，不可能取得很低。为此，在单级压缩中要获得低蒸发温度，其压力比就会很大，而压力比过大会产生下列问题:
压缩机排气温度过高，使润滑油的黏度急剧下降，影响压缩机的润滑。当排气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑油炭化，以致在阀片上产生结炭现象。压缩比增大时压缩机的输气系数大为降低，压缩机的输气量及效率显著下降。液体制冷剂节流时引起的损失增加，使制冷循环的经济性下降。
一般规定，采用氟利昂制冷剂的单级压缩机的最大压力比不应超过10。当压力比等于10时，在不同冷凝温度时一些常用的中温制冷剂所能达到的最低蒸发温度见表7-11。
因此，单级压缩制冷要获得-35℃以下的低温是很难实现的，而必须采用两级压缩方式予以解决，以降低压力比，见表7-12。
两级压缩制冷 将一台低压级压缩机和一台高压级压缩机串联起来，使制冷剂在其中依次进行两次压缩，这样可以做到每级压缩机的压力比都不过大，而总的压力比虽然很高，但被高、低压两级压缩机分担了，见表7-13。
从表7-13可以看出，两级压缩制冷低压级与高压级的压力比分别远远小于单级压缩比。采用两级压缩，一般可制取-70~-40℃的低温。若要获得更低的温度(-130~-80%),就必须采用复叠式制冷方式。
