要突破单级压缩制冷不可能获得较低制冷温度的限制，首先要克服的技术障碍是压缩机的压缩比不可能很大以及压缩终温过高的问题。
制冷剂的冷凝温度由环境介质温度决定，冷凝温度一定时，冷凝压力就是一定的。如欲使蒸发温度降低，则蒸发压力就降低。此时压缩比π=pk/p0就增大，导致输气系统变小，压缩机效率下降，排气温度升高。由于容积式压缩机都有一定的余隙容积，当压缩比增大到一定数值以后，余隙容积中残留的气体在膨胀时会一直膨胀到压缩腔最大容积，使压缩机不能吸气。同时，在冷凝温度不变的条件下，蒸发温度的降低将使排气温度上升，有可能超过允许的排气温度。
一般的开启式活塞压缩机，单级压缩比为8-13，当制冷剂为R717时，因其绝热指数较大，因此压缩比应较小，通常π≤8。对于大多数卤代烃，其绝热指数较小，故π≤10。小型半封闭和全封闭压缩机的压缩比可更大一些，可使用到π≈13。在通常的环境温度下，使用中温制冷剂，单级压缩制冷可获得+10~-40℃的低温。
为了在通常的冷凝压力下获得较低的蒸发温度，可将多台压缩机串联起来，以克服压缩比不足的困难，提高压缩机的效率，同时采用中间冷却，以消除压缩终温的限制。这样，循环成为多级压缩制冷循环。
多级压缩制冷所能获得的蒸发温度为-70~-30℃，压缩的级数主要取决于每一级压缩的排气温度。如再想降低制冷温度，就要受到制冷剂的临界温度、冷凝压力、蒸发压力等因素的制约，多级压缩制冷无法解决这些问题。
综上所述，当一种制冷剂可以满足冷凝压力不过高、蒸发压力不过低的要求，而压缩机的压缩比不能满足要求以及压缩终温过高时，应采用多级压缩制冷。
