低温制冷机采用了两种工作原理：一种是两级压缩制冷；一种是多元复迭式制冷。根据制冷剂的性质，单级压缩制冷系统一般只能制取-25~-35℃左右的温度，若要进一步降低温度，采用单级压缩制冷系统是不能实现的。其主要原因是它的吸、排气压力都取决于蒸发温度与冷凝温度，如果要制取较低的温度就必然会使蒸发压力降低，这样就会造成压力比的提高，压力比的提高又会减少压缩机的排气量。制冷压缩机的压力比是有限度的，一般来说，吸、排气的压力比不应大于10。

低温制冷机的分类方法很多，例如可以按其用途、制冷工质或机器结构来分类；也可按其工作温区，制冷量大小和换热方式来分类。要是按制冷温度分类，低温制冷机指的是一种在低于120K的温度下产生制冷量的机器或装置。低温制冷机的制冷量的大小，与其提供制冷量的温度有很大的关系。例如，基于卡诺循环的理想制冷机，在120K提供1W制冷量，只需29W能量输入；若在0.5K提供lW制冷量，则需20多倍即600W的能量。而且实际制冷机需求的能量，往往比理论值大几十倍，甚至数百倍，因为制冷机在实际工作过程中，要克服多项不可逆损失，这些损失将由制冷机的理论制冷量来补偿。因此，低温制冷机实际输出的可用制冷量，是其理论制冷量与实际工作过程中所有损失能量之和的差值。

由于斯特林制冷机的高效性和可靠性，它被广泛地应用于航空航天、导弹制导、遥感遥测等诸多低温领域。斯特林制冷机是小型制冷机中应用最广、机型最多、技术最成熟的一种。斯特林制冷机按其结构可分为整体式和分置式两种。整体式斯特林制冷机的优点是结构紧凑、启动快、重量轻、工作温度范围宽、效率高、操作简便；存在的问题是振动较大、噪声大，寿命相对短。分置式斯特林制冷机是在整体式斯特林制冷机研究的基础上发展起来的，由于它的压缩机与冷头用细管连接，克服了整体式斯特林制冷机产生的振动和热量对红外探测器的影响，在军事领域得到了广泛的关注。斯特林循环由两个等温过程和两个等容回热过程组成。定质量工质在该封闭循环中，在不同温度下重复压缩和膨胀，实现热功转换。斯特林循环最初用于热力发动机。其逆循环被称为逆向斯特林循环或斯特林制冷循环，1864年前后，Alexander Kirk成功制造了世界上第一台斯特林制冷机。斯特林制冷机的制冷温度可以从普冷到深冷，冷量也可实现毫瓦级直至千瓦级。

1、用于液化空气、氧、氮的装置：单级斯特林制冷机可制取77K低温，可用来在常压下直接液化空气、氧气及氮气。这种机器在制冷机冷头的外侧装有用来净化和液化气体的净化冷却冷凝器及保温层。当机器正常工作后，冷头的温度降到77K，在冷凝器的外空间造成一定的真空度，这时将顶部的软木塞拔掉，空气(与氧、氮气瓶相连接时则为氧、氮气)便被吸入，并按图中箭头方向逐步被冷却并净化，然后经冷凝器外侧被液化。最后，液化气体沿箭头方向经导出管流出。

2、用于液化包，氖、氦的装置：双级St，G-M及SV制冷机均可用来直接液化常压下的氢、氖等气体。一般用于这种场合的装置以St机较多，当要求振动极小且冷昼又较小时则用G-M或SV制冷机。

3、低温泵装置：低温泵装置是利用低温冷凝，冷捕集和低温吸附原理来抽除气体，从而获得清洁无污染高真空的设备。

利用高低压气体对脉管腔的充放气而获得制冷效果的微型低温制冷机。