Descendre à très basse température avec un seul circuit frigorifique est difficile : le taux de compression grandit, la température de refoulement monte, la pression d’aspiration tombe sous vide. Dans le système en cascade, le travail est divisé en deux. Le circuit basse température refroidit la chambre ou le produit et rejette sa chaleur non dans l’air extérieur, mais dans l’échangeur de cascade. Cet échangeur est en même temps l’évaporateur du circuit haute température ; celui-ci prend la chaleur et la rejette dehors par son propre condenseur. Les fluides des deux circuits ne se mélangent pas.
Pour chaque circuit, on choisit le fluide qui travaille le mieux dans sa propre plage de température. En froid industriel, le couple le plus répandu est le CO₂ (R744) côté bas et l’ammoniac (R717) ou le propane (R290) côté haut ; il s’utilise dans les installations de congélation et de conservation négative entre −30 et −50 °C. Dans les armoires de laboratoire et les applications spéciales entre −60 et −80 °C, on trouve côté bas des fluides comme le R23, le R170 (éthane) ou le R508B.
Dans l’échangeur de cascade, on laisse un écart de température de 3–6 K entre les deux fluides ; si le circuit bas condense à −10 °C, le circuit haut s’évapore vers −15 °C. Cet écart influe directement sur le rendement du système : plus il diminue, plus le rendement augmente et plus l’échangeur grandit. L’attrait de la cascade au CO₂ est que l’ammoniac reste uniquement dans la salle des machines, que seul le CO₂ va dans les zones où se trouvent les denrées et que les tubes de CO₂ sont de petit diamètre. Comme échangeur, on utilise des types à plaques ou multitubulaires à calandre.
En exploitation, l’ordre est important : le circuit haut démarre d’abord, le circuit bas ensuite. Si le circuit haut s’arrête, le circuit bas n’a plus où condenser et sa pression monte rapidement. Avec le CO₂, la pression à l’arrêt pouvant atteindre 60–70 bar à température ambiante, on prévoit pour les longs arrêts un petit groupe frigorifique auxiliaire, un récipient résistant à la haute pression ou une décharge contrôlée par la soupape de sécurité. La conception se fait projet par projet. Les régulations des deux circuits sont verrouillées l’une sur l’autre ; quand l’un passe en défaut, l’autre se comporte en conséquence.