超低温冰箱一般采用二级制冷，第一级的制冷剂为R-12(23.0  oz，1oz=28.349523g)，设计压力高压为400ppsi（1ppsi＝6.89476X10³Pa），低压为90ppsi。第二级制冷的冷凝器和第一级制冷的蒸发器是放在一起的；第二级的制冷剂为R-503（8.5 oz）和R-290（0.7 oz）的混合体，设计的高低压均为300ppsi。感温探头为热敏电阻，根据阻值的大小（即温度的高低）在面板上显示不同的温度。

接通电源时，当面板显示温度比设定的温度高时，第一级压缩机首先启动，第一级制冷系统开始工作，使得第二级制冷系统的冷凝器温度下降，即第二级的制冷剂温度下降，经几分钟的延时后，第二级制冷系统也开始工作，它的蒸发器在冰箱内壁，这可使冰箱内部温度下降很多，它的冷凝器放出的热量全部由第一级制冷系统的蒸发器吸收，第一级冷凝器放出的热量则散人空气中。 当冰箱内部温度达到设定温度后，感温探头电阻把信息传出，控制继电器失电断开，两级制冷系统全部停止工作。当冰箱内温度再次升高，超出设定的温度时，冰箱再次重复上述运作过程，从而使冰箱内温度始终保持在设定的温度左右。