超低溫系統用于實現實驗室使用的低溫浴或箱子，藥物或生物樣品的儲存，金屬的低溫制造或極端溫度的環境測試。

單級制冷系統實際可達到的**低溫度約為-40**-50?F。單級系統受壓縮機的壓縮比和必須冷凝制冷劑的環境溫度的限制。只能通過使用級聯制冷系統經濟地實現從-50降**-120?或更低的溫度。

在典型的級聯系統中，在“高側”使用標準制冷系統以在級聯冷凝器中產生低溫。“低壓側”系統能夠在-20**-30°的溫度下冷凝，并在可用制冷劑進入真空之前蒸發**低**-120?。較大的系統傾向于具有某種油分離器和油管理系統以將油保持在壓縮機中。當系統關閉時，一些系統還使用膨脹罐來保持制冷劑在室溫下不產生極端壓力。

傳統的**制冷劑是CFC-12，HCFC-22和CFC-502。替代**制冷劑是HFC-134a，HFC-404A和HFC-507。

傳統的低端制冷劑是CFC-13和CFC-503。替代低端制冷劑是HFC-23和HFC-508B。

油循環

標準冷凍機油在低溫下會變得非常厚，并且不會在系統周圍回流到壓縮機。如果壓縮機變得太冷，則油會在壓縮機油池內膠化，而不會提供潤滑。許多系統依靠制冷劑浸入油中并將其移動到系統周圍。這種油循環方法可以很好地工作到蒸發器溫度約-100?。另外，運行時間短的系統將允許蒸發器變暖時機油返回壓縮機。

在較低溫度下運行時間較長或涉及復雜管路的系統需要在低級壓縮機后使用油分離器。

另外，通常將碳氫制冷劑添加到系統中，以便它們可以浸入油中并使其在非常低的溫度下保持流體。所用烴的量通常為5**10重量％。可以使用的所有HC（全部由G家制冷劑供應）中有-170（乙烷），-1150（乙烯），-600（丁烷），-600a（異丁烯），-290（丙烷）和戊烷液體。

濕氣

在級聯系統中去除水分比在更高的溫度范圍更重要。R-22和R-404A等制冷劑可以吸收并攜帶比10 ppm規格更多的水和30**50 ppm的視液位指示水平。相反，估計R-13只能在-80°下保持約0.1ppm的水。

過量的水分肯定會與制冷劑分離并堵塞毛細管或導致其他問題。在級聯系統的低階段，干燥器的維護是非常重要的。

擴張量

在低溫階段，制冷劑必須在非常低的溫度下維持壓縮機的正常運行壓力。這些制冷劑將在110**160 psig的壓力下冷凝約-30**-20°。當這些制冷劑升溫**室溫時，飽和壓力或某些情況下的臨界壓力可能超過700 psig。

不需要花費建筑系統來承受這些壓力，而是提供膨脹箱或其他系統體積。電荷擴展到額外的體積，允許所有的液體完全沸騰蒸氣。簡單的氣體法則規定需要多少體積來將充氣保持在通常不超過250psig的氣體壓力下。因此，系統通常只需將空系統置于靜態壓力下即可充電。