復疊式制冷機是用兩種或兩種以上不同的制冷劑，由兩個或兩個以上單級(也可以是雙級)制冷系統組合而成的。它適用于-130~-80℃的低溫裝置。
當制冷劑的蒸發溫度低于-70℃時，用氨制冷劑會受到凝固點的限制(氨的凝固點為-77..7%)，且氨在t0 = -70℃時，蒸發壓力P0=10. 92kPa，飽和蒸氣的質址體積V=9m3/kg(比t0=一1-℃時的質址體積大18倍)。由于蒸發壓力低，蒸發質量體積很大，輸氣系數降低，使運行的經濟性大大變差。而且對于活塞式制冷壓縮機，當使用這些中溫制冷劑時，由于氣閥結構的限制，當吸氣壓力降到9.8~14.7kPa，即使增加壓縮級數，也不能使蒸發溫度再降低。因此，當蒸發溫度低于-70℃時，就需要采用低溫制冷劑，并要用復疊式進行制冷。
復疊式制冷機是由兩個制冷系統組成的，高壓部分通常選用中溫制冷劑(如R12, R22, NH3等)，低溫部分選用低溫制冷劑(如R13, R14等)。所謂低溫制冷劑，是指它在大氣壓力下具有較低的蒸發溫度，如R13和R14在大氣壓力下的沸點分別為-81.5℃和-128.0℃。但是這種低溫制冷劑的臨界溫度低，如R13為-28. 8℃ , R 14為-45℃，故用一般冷卻水，就不能冷凝成液態制冷劑。
復疊式制冷系統實際上是由兩個單級制冷系統復疊而成，彼此管路互不相通，但高溫蒸發器與低溫部分的冷凝器復疊在一起的，稱為換熱器也稱蒸發冷凝器，通過它可以用高溫部分高沸點制冷劑R12或R22的蒸發部分來冷凝低溫部分低沸點制冷劑的冷凝部分。這樣，低溫部分的低沸點制冷劑的冷凝溫度就可以維持在較低的水平，低溫部分的冷凝壓力也可隨之降低。解決了低沸點制冷劑的冷凝壓力過高的矛盾，低沸點制冷劑液體即可在燕發器中汽化吸熱取得低溫。
復疊方式制冷降低了系統內外的壓力差，使制造和選材相對容易一些，減少了氣缸總容積，因而也降低了成本，減少了體積和功率消耗。
如采用R22作為高溫部分制冷劑，R13作為低溫部分制冷劑時，其低溫部分蒸發溫度可達-90~-85℃。
當然也可由3種制冷劑組成三元復疊式制冷系統，以R14作為第三元最低溫部分，其最低蒸發溫度可達-130℃左右。
