相变制冷分为液体气化制冷与固体熔化与升华制冷，由于液体自身具有流动性，液体气化制冷是广泛应用的。液体汽化成蒸气的过程吸收热量，从而达到制冷的目的，为了使其连续不断地工作，成为一个循环，便必须使制冷剂在低压下蒸发汽化、蒸气升压、高压气体液化和高压液体降压。相变制冷主要可以分为：冷相变冷却、冰盐相变冷却、干冰相变冷却等。

冰相变冷却是最早使用的降温方法，仍在广泛应用于日常生活、农业、科学研究等各种领域。冰融化和冰升华均可用于冷却。实际主要是利用冰融化的潜热。常压下冰在0℃融化，冰的汽化潜热为335千焦/千克。能够满足0℃以上的制冷要求。冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收贝冷却对象的潜热。此时，换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的溶解温度高5～10℃。厚度10厘米左右的冰块，其比表面积在25～30平方米/立方米。为了增大比表面积，可以将冰粉碎成碎冰。水到冰的表面传热系数为116瓦/（米²*开）。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关。

冰盐是指冰和盐类的混合物。用冰盐制作制冷剂可以获得更低的温度。冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热。冰盐融化过程的吸热包括冰融化吸热和盐溶解吸热这两种作用。起初，冰吸热在0℃下融化，融化水在冰表面形成一层水膜；接着，盐溶解于水，变成盐水膜，由于溶解要吸收溶解热，造成盐水膜的温度降低；继而，在较低的温度下冰进一步溶化，并通过其表层的盐水膜与被冷却对象发生热交换。这样的过程一直进行到冰的全部融化，与盐形成均匀的盐水溶液。冰盐冷却能到达的低温程度与盐的种类和混合物中盐与水的比例有关。工业上应用最广的冰盐是冰块与工业食盐氯化钠（NaCl）的混合物。

固态二氧化碳（CO₂）俗称干冰。CO₂的三相点参数为：温度-56℃，压力0.52兆帕。干冰在三相点以上吸热时融化为液态二氧化碳；在三相点和三相点一下吸热时，则直接升华为二氧化碳蒸气。干冰是良好的制冷剂，它化学性质稳定，对人体无害。早在19世纪，干冰冷却就用于食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件冷处理和冷配合等方面。