盡管采用多級壓縮循環可以獲得較低的溫度，而且可以降低壓縮機排氣溫度，減少壓縮機功耗。但蒸發溫度很低時，多級壓縮制冷循環受單一制冷劑的限制。由于只能使用一種制冷劑，采用中溫制冷劑時受到高凝固點的限制，采用低溫制冷劑時受到低臨界點的限制。
這種情況下，復疊式制冷循環有其獨有的優勢。
復疊式制冷循環是使用兩種或兩種以上的制冷劑，由兩個或兩個以上的單級壓縮制冷循環組成，用于制取-60~-120℃的低溫。在此介紹最常用的兩級復疊式制冷循環，兩級以上的復疊式制冷循環的原理都是類似的。
兩級復疊式制冷循環由使用中溫制冷劑的高溫級和使用低溫制冷劑的低溫級兩部分組成。形成兩個單級壓縮制冷系統復疊工作的制冷循環。兩個系統之間用冷凝蒸發器銜接起來，它既是高溫級的蒸發器又是低溫級的冷凝器。高溫級的中溫制冷劑在冷凝蒸發器中蒸發吸熱，低溫級的低溫制冷劑在冷凝蒸發器中冷凝放熱。兩種制冷劑在冷凝蒸發器中熱交換后，高溫級的中溫制冷劑蒸發為氣體，低溫級的低溫制冷劑冷凝為液體。高溫級循環在其冷凝器中將熱量傳遞給冷卻介質(外部環境)，從冷凝蒸發器中出來的低溫制冷劑液體經低溫級節流裝置降壓后成為氣液混合物，進入其蒸發器吸收被冷卻介質的熱量而蒸發制冷，獲得所需要的低溫。
圖2-16給出了兩級復疊式制冷循環的系統圖和lgp-h圖，其制取的低溫為-80℃,高溫級制冷循環為0'-1'-2’-3’-4'-5’-0'，低溫級制冷循環為0-1-2-3-4-5-0,高溫級制冷循環和低溫級制冷循環分別設有回熱器G和油分離器C，回熱器可增加循環的制冷量和改善壓縮機的工作條件，油分離器可以防止潤滑油進入換熱器，減少傳熱熱阻，保證壓縮機的可靠潤滑。低溫級壓縮機A設有排氣冷卻器S，以降低排氣溫度、減少冷凝蒸發器E中的冷凝負荷。膨脹容器W可以保證低溫級系統避免超壓和安全順利啟動。兩個電磁閥H用于防止系統停止運行時高壓級和低壓級的高壓制冷劑進入各自的蒸發器，使系統啟動時大量液體進入壓縮機造成液擊，損壞壓縮機。
