复叠式制冷机是用两种或两种以上不同的制冷剂，由两个或两个以上单级(也可以是双级)制冷系统组合而成的。它适用于-130~-80℃的低温装置。
当制冷剂的蒸发温度低于-70℃时，用氨制冷剂会受到凝固点的限制(氨的凝固点为-77..7%)，且氨在t0 = -70℃时，蒸发压力P0=10. 92kPa，饱和蒸气的质址体积V=9m³/kg(比t0=一1-℃时的质址体积大18倍)。由于蒸发压力低，蒸发质量体积很大，输气系数降低，使运行的经济性大大变差。而且对于活塞式制冷压缩机，当使用这些中温制冷剂时，由于气阀结构的限制，当吸气压力降到9.8~14.7kPa，即使增加压缩级数，也不能使蒸发温度再降低。因此，当蒸发温度低于-70℃时，就需要采用低温制冷剂，并要用复叠式进行制冷。
复叠式制冷机是由两个制冷系统组成的，高压部分通常选用中温制冷剂(如R12, R22, NH3等)，低温部分选用低温制冷剂(如R13, R14等)。所谓低温制冷剂，是指它在大气压力下具有较低的蒸发温度，如R13和R14在大气压力下的沸点分别为-81.5℃和-128.0℃。但是这种低温制冷剂的临界温度低，如R13为-28. 8℃ , R 14为-45℃，故用一般冷却水，就不能冷凝成液态制冷剂。
复叠式制冷系统实际上是由两个单级制冷系统复叠而成，彼此管路互不相通，但高温蒸发器与低温部分的冷凝器复叠在一起的，称为换热器也称蒸发冷凝器，通过它可以用高温部分高沸点制冷剂R12或R22的蒸发部分来冷凝低温部分低沸点制冷剂的冷凝部分。这样，低温部分的低沸点制冷剂的冷凝温度就可以维持在较低的水平，低温部分的冷凝压力也可随之降低。解决了低沸点制冷剂的冷凝压力过高的矛盾，低沸点制冷剂液体即可在燕发器中汽化吸热取得低温。
复叠方式制冷降低了系统内外的压力差，使制造和选材相对容易一些，减少了气缸总容积，因而也降低了成本，减少了体积和功率消耗。
如采用R22作为高温部分制冷剂，R13作为低温部分制冷剂时，其低温部分蒸发温度可达-90~-85℃。
当然也可由3种制冷剂组成三元复叠式制冷系统，以R14作为第三元最低温部分，其最低蒸发温度可达-130℃左右。
