單機雙級壓縮制冷系統的工作原理是:庫房回氣被低壓吸入，壓縮成中壓氣體排出，與中間冷卻塔來的于飽和蒸汽混合后被高壓缸吸入，經壓縮成高壓氣體進入油分離器，再送至冷凝儲液器。從冷凝儲液器出來的高壓液體經干燥過濾器濾除水分和雜質后分成兩部分:一部分經德州中間冷卻塔排管冷卻后，進入熱交換器外層與庫房來的回氣換熱被進一步冷卻，再流經熱力節流閥節流降壓后進入冷卻設備吸熱蒸發，形成的氣體和氟油混合液滴在一起流入熱交換器。

另一部分液體經節流變成中壓后對中間冷卻塔排管內的高壓氣體降溫，形成的蒸汽再與低壓缸排出的氣體混合后進入高壓缸。進入熱交換器的氣體和氟油混合液滴被外夾層內流過的高壓液體加熱，分離出的制冷劑過熱氣體被低壓缸吸走，而油滴被積聚在熱交換器的底部，再通過吸入管上小孔隨著回氣被不斷吸走。這種方式不但可以滿足回油的需要，而且可有效地防止或減少壓縮機的濕行程。

單機雙級壓縮制冷系統適應于制冷劑采用R22,且蒸發溫度較低的冷庫制冷裝置。