低温冷冻干燥机采用先进制冷技术，在原来单压缩机功率不变的情况下，不但大幅度提高制冷的效率，将温度从-50℃降低到-80℃，增加了冷阱结冰量，从而节约能源，提高生产效率，适用于需要超低温处理的样品冻干实验及少量生产。 冷冻干燥机分为多种类型：普通型、压盖型、多岐管型、多岐管压盖型等等。主要采用进口全封闭制冷机组、单压缩机自动复叠式制冷、冷阱温度达到-80℃、捕水能力强；更大的不锈钢冷阱内可深低温预冻样品、配特制预冻样品架和保温盖。代替超低温冰箱；设有*的气流导流筒、使冷阱结冰量更多更均匀；冷阱温度及样品真空度均采用LED数字显示，简洁明确。
实现压缩式制冷循环的机器称为压缩式制冷机，根据采用的压缩机种类不同，压缩式制冷机有活塞式、螺杆式、透平式、滚动活塞式、涡旋式等。低温冷冻干燥机中应用多的为活塞式和螺杆式。
被冷却对象是蒸发器中的介质或物体，即制冷剂直接膨胀蒸发去冷却被冷却的物体，此种制冷循环称为直接膨胀制冷循环。如冷冻干燥机的冷阱中的制冷循环即是。直接制冷循环的优点是设备比较简单，少了一套载冷剂循环设备，所需的制冷循环设备也可小一些。制冷剂与被冷却物间只有一次传热温差，因此其运行费用较低。其缺点是被冷却物的温度不够均匀，对于在运行过程中所需冷量变化很大且又不能停机的场合(冷阱)，当采用一定流速的回气流将润滑油带回压缩机的回油方式时，其冷量调节很困难。间接制冷则相反，被冷却对象的温度易于均匀，调节冷量方便。但多了一次传热温差，使蒸发温度降低了，所需制冷机容盘也增大了，还多了一套载冷剂循环的设备，运行功耗也有所增加。尽管如此，低温冷冻干燥机的冻干箱降温仍采用间接制冷。
