尽管采用多级压缩循环可以获得较低的温度，而且可以降低压缩机排气温度，减少压缩机功耗。但蒸发温度很低时，多级压缩制冷循环受单一制冷剂的限制。由于只能使用一种制冷剂，采用中温制冷剂时受到高凝固点的限制，采用低温制冷剂时受到低临界点的限制。
这种情况下，复叠式制冷循环有其独有的优势。
复叠式制冷循环是使用两种或两种以上的制冷剂，由两个或两个以上的单级压缩制冷循环组成，用于制取-60~-120℃的低温。在此介绍最常用的两级复叠式制冷循环，两级以上的复叠式制冷循环的原理都是类似的。
两级复叠式制冷循环由使用中温制冷剂的高温级和使用低温制冷剂的低温级两部分组成。形成两个单级压缩制冷系统复叠工作的制冷循环。两个系统之间用冷凝蒸发器衔接起来，它既是高温级的蒸发器又是低温级的冷凝器。高温级的中温制冷剂在冷凝蒸发器中蒸发吸热，低温级的低温制冷剂在冷凝蒸发器中冷凝放热。两种制冷剂在冷凝蒸发器中热交换后，高温级的中温制冷剂蒸发为气体，低温级的低温制冷剂冷凝为液体。高温级循环在其冷凝器中将热量传递给冷却介质(外部环境)，从冷凝蒸发器中出来的低温制冷剂液体经低温级节流装置降压后成为气液混合物，进入其蒸发器吸收被冷却介质的热量而蒸发制冷，获得所需要的低温。
图2-16给出了两级复叠式制冷循环的系统图和lgp-h图，其制取的低温为-80℃,高温级制冷循环为0'-1'-2’-3’-4'-5’-0'，低温级制冷循环为0-1-2-3-4-5-0,高温级制冷循环和低温级制冷循环分别设有回热器G和油分离器C，回热器可增加循环的制冷量和改善压缩机的工作条件，油分离器可以防止润滑油进入换热器，减少传热热阻，保证压缩机的可靠润滑。低温级压缩机A设有排气冷却器S，以降低排气温度、减少冷凝蒸发器E中的冷凝负荷。膨胀容器W可以保证低温级系统避免超压和安全顺利启动。两个电磁阀H用于防止系统停止运行时高压级和低压级的高压制冷剂进入各自的蒸发器，使系统启动时大量液体进入压缩机造成液击，损坏压缩机。
