Tək soyutma dövrəsi ilə çox aşağı temperatura enmək çətindir: sıxılma nisbəti böyüyür, vurma temperaturu yüksəlir, sorma təzyiqi vakuuma düşür. Kaskad sistemdə iş ikiyə bölünür. Aşağı temperatur dövrəsi kameranı və ya məhsulu soyudur və istiliyini xarici havaya deyil, kaskad istilik mübadiləcisinə atır. Bu istilik mübadiləcisi eyni zamanda yüksək temperatur dövrəsinin evaporatorudur; istiliyi alır və öz kondenserindən çölə atır. İki dövrənin agenti bir-birinə qarışmır.
Hər dövrəyə öz temperatur aralığında ən yaxşı işləyən agent seçilir. Sənaye soyutmasında ən geniş yayılmış cütlük aşağı tərəfdə CO₂ (R744), yüksək tərəfdə ammonyak (R717) və ya propandır (R290); −30 ilə −50 °C arası dondurma və dondurulmuş saxlama qurğularında işlədilir. Laboratoriya şkaflarında və −60 ilə −80 °C arası xüsusi tətbiqlərdə aşağı tərəfdə R23, R170 (etan) və ya R508B kimi agentlər yer alır.
Kaskad istilik mübadiləcisində iki agent arasında 3–6 K temperatur fərqi saxlanır; aşağı dövrə −10 °C-də kondensasiya olursa yüksək dövrə −15 °C civarında buxarlanır. Bu fərq sistemin səmərəsinə birbaşa təsir edir: kiçildikcə səmərə artır, istilik mübadiləcisi böyüyür. CO₂-li kaskadın cəlbedici tərəfi ammonyakın yalnız maşın otağında qalması, qidanın olduğu sahələrə yalnız CO₂-nin getməsi və CO₂ borularının kiçik diametrli olmasıdır. İstilik mübadiləcisi kimi lövhəli və ya gövdə-borulu tiplər işlədilir.
İstismarda ardıcıllıq vacibdir: əvvəlcə yüksək dövrə işləyir, sonra aşağı dövrə. Yüksək dövrə dayansa aşağı dövrənin kondensasiya olacağı yer qalmır və təzyiqi sürətlə yüksəlir. CO₂-də dayanma təzyiqi ətraf mühit temperaturunda 60–70 bara çıxa bildiyindən, uzun dayanmalar üçün kiçik köməkçi soyutma qrupu, yüksək təzyiqə davamlı qab və ya qoruyucu klapandan nəzarətli boşaltma nəzərdə tutulur. Layihə hər obyekt üçün ayrıca hazırlanır. İki dövrənin nəzarəti bir-birinə bloklanır; biri nasazlığa keçdikdə o biri buna uyğun davranır.