超低溫冰箱一般有臥式和立式兩種箱體。內箱體一般分為多個承物層，每層均設計有可獨立開關的內門。
    超低溫冰箱的制冷系統基本采用復疊式制冷的工作原理，選用兩臺全封閉壓縮機作為高、低溫級壓縮機使用。低溫級蒸發器的紫銅管以盤管形式直接盤附于內箱體外側，并用導熱膠泥填堵于盤管與箱壁之間的縫隙中，以增加熱交換效果。冷凝蒸發器為殼管式結構，內部為四管螺紋型紫銅管，采用逆流式熱交換方式。
    低溫級系統中還加配有氣熱交換器，可使從蒸發器出來的低壓氣體同進入冷凝蒸發器前的高壓氣體進行熱交換，這樣不但減少了冷凝蒸發器的熱負荷，而且充分利用了熱量。過濾器多采用除蠟型過濾器，其目的是有效去除冷凍油中的石蠟，以降低系統“油堵”的可能性。
    此外超低溫冰箱根據不同的使用用途還可以選配一些附件，例如，溫度記錄儀，便于記錄運行參數；二氧化碳備用系統，用于特殊情況下，保證保存環境的氣體保持正常狀態；電壓增壓器，可保證壓縮機在低壓狀態下正常工作。
    超低溫冰箱一般采用二級制冷，級的制冷劑為R-12(23．Ooz，28．349 523g)，設計壓力高壓為400ppsi(1ppsi＝6．894 76X10‘Pa)，低壓為90ppsi。第二級制冷的冷凝器和級制冷的蒸發器是放在一起的；第二級的制冷劑為R-503(8．50z)和R-290(0．70z)的混合體，設計的高低壓均為300ppsi。感溫探頭為熱敏電阻，根據阻值的大小(即溫度的高低)在面板上顯示不同的溫度。
    接通電源時，當面板顯示溫度比設定的溫度高時，級壓縮機首先啟動，級制冷系統開始工作，使得第二級制冷系統的冷凝器溫度下降，即第二級的制冷劑溫度下降，經幾分鐘的延時后，第二級制冷系統也開始工作，它的蒸發器在冰箱內壁，這可使冰箱內部溫度下降很多，它的冷凝器放出的熱量全部由級制冷系統的蒸發器吸收，級冷凝器放出的熱量則散人空氣中。
    當冰箱內部溫度達到設定溫度后，感溫探頭電阻把信息傳出，控制繼電器失電斷開，兩級制冷系統全部停止工作。當冰箱內溫度再次升高，超出設定的溫度時，冰箱再次重復上述運作過程，從而使冰箱內溫度始終保持在設定的溫度左右。

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