两级压缩制冷循环是将一台低压级压缩机和一台高压级压缩机串接起来，使制冷剂得以在其中依次进行两次压缩，这样可以做到，每级压缩的压力比不致过大而总的压力比却大大地提高。图2-14是这种制冷循环的流程原理图。从高压级压缩机排出的高压(等于冷凝压力pk）制冷剂蒸汽进入冷凝器，被冷凝为常温高压液体，它从冷凝器流出后分为两路:主要的是流经中间冷却器中盘管，并受到在中间冷却器中的制冷剂蒸发冷却成为过冷液体，然后经膨胀阀进入蒸发器中制取冷量。另一路是经膨胀阀节流降压至中间压力Pz后进入中间冷却器，并在其中蒸发、冷却盘管中的前一路高压制冷剂液体。从蒸发器流出的低压蒸汽被低压级压缩机吸入压缩至中间压力Pz，排出后与中间冷却器流出的中压蒸汽相混合，再被高压级压缩机吸入并排入冷凝器，这样，就完成了两级压缩制冷系统的一次循环。
再以前面所举的一40℃和一60℃低温箱为例来对比采用单级和两级压缩制冷方案所取得的不同结果。设高压级和低压级压缩机具有相同的压力比，也就是说:
根据这些关系，可得下列计算结果。
从计算结果来看，两级压缩循环的高低压级压力比远小于单级压缩循环的单级压力比。因而采用两级压缩来实现一40~—60℃的低温是切实可行的。
两级压缩制冷循环的高压级和低压级压缩机的制冷剂重量流量(每小时输出的制冷剂重量)是不等的。高压级压缩机不仅吸入来自低压级压缩机的全部流量，而且还要吸入来自中间冷却器的中压蒸汽。因此，高压级压缩机的重量流量显然要大于低压级压缩机的重量流量。但是，从压缩机的容积流量(每小时输出的制冷剂容积按吸汽状态计算)来看情况就有所不同。高压级和低压级压缩机的吸汽状态是不一样的，与高压级相比较，低压级所吸入的每公斤制冷剂，由于其压力较低，p0<pz所以，其容积亦较大，也就是说，低压级压缩机的容积流量要大于高压级的。正是由于这个缘故，实际两级压缩制冷机中，高压级和低压级压缩机的理论排量之比一般为1:3或1:2。
