水环式真空泵真空冷却是利用低压使被冷却物品中水分在较低的温度下蒸发并带走汽化潜热，从而使被冷却物品温度降低，水环式真空泵蒸发水汽一部分被捕水器凝结成液体经排水阀排出，一部分以蒸汽形式被真空泵抽出。蒸发水汽的量是确定真空装置系统真空泵与制冷系统匹配的基本依据，从而决定装置能耗。根据能量守恒定律，被冷却物因温度下降所散发的热量应等于水分蒸发所吸收的热量在真空冷却过程中，由于液体会发生剧烈沸腾，导致水分飞溅出盛放液体的容器，造成大量失水。
所以实际失水往往大于理论失水。真空冷却过程可分为三个阶段。第一阶段，真空冷却室内压力从大气压降至被冷却物品初温所对应的饱和压力，此时真空室中压力尚未低到足以使被冷却物品中水分闪发的程度，制冷系统负荷极小；第二阶段，闪发开始，被冷却物品中的水分从物品本身吸收大量热量而迅速汽化，捕水器必须及时将大量水汽凝结成液体，制冷系统的负荷最大；第三阶段，水分蒸发明显减慢，制冷系统的负荷明显降低。系统的最大负荷出现在第二阶段，若以此阶段负荷设计系统，需要配置较大的制冷系统，现有装置多采用蓄冷的方式，使用时先开启制冷系统对载冷剂预冷，在捕水器温降至某一点时开启真空泵进入真空冷却阶段。
