复叠式制冷循环通常由两个或3个独立的单级制冷循环组合而成，其中每一循环都是一个完整的单级或两级压缩系统，图2-5a所示为由两个单级压缩循环组成的复叠式制冷原理图。高温循环使用R12, R22等中温制冷剂，而低温循环则采用如R13, R14等低温制冷剂。高温循环所制取的冷量供低温制冷循环冷凝用，所以两个循环系统有联系的部分就是蒸发冷凝器，它既是高温循环的蒸发器，又是低温制冷循环的冷凝器。通过其中的热交换，使低温制冷循环维持较低的冷凝温度，一般tk在-35℃左右，这样使低温制冷循环的冷凝压力维持在0.7~0.8MPa左右(R13在-35℃时的饱和压力为0.731 MPa)，解决了低沸点制冷剂冷凝压力高的矛盾。而低温循环的蒸发器则在箱中制取-80℃左右的低温。由于蒸发冷凝器有传热温差，所以低温循环的冷凝温度tk必高于高温循环的蒸发温度t0’，一般取tk-t0’=5~10℃。
为了进一步分析复叠式制冷循环，用压始图来表示比较方便，图2-5b把两个制冷循环按饱和温度的高低(以便在饱和区中比较两者温度的高低)重叠在一起，其中1-2-3-4-1为低温循环，在图中用实线表示;而1'-2'-3'-4'-1’为高温循环，在图中用点画线表示。图2-5a与b中用数字表示的状态是相互对应的。复叠式制冷循环的理论计算就是两个单级制冷循环，但设计计算时，高温循环的制冷量应等于低温循环的冷凝热量。
