復疊式冷凍機是由兩個或兩個以上獨立的制冷循環組成，分別被稱為高溫循環和低溫循環。在各單獨的制冷系統中充有不同性質的制冷劑，高溫循環通常采用中溫制冷劑，低溫循環中通常采用低溫制冷劑。每一循環均可采用單級或雙級壓縮制冷循環。這兩個部分通過一個冷凝蒸發器聯系起來，它即是低溫循環的冷凝器，也是高溫循環的蒸發器，即高溫循環中制冷劑的蒸發用來冷凝低溫循環中的制冷劑。這樣，低度溫循環吸收的熱量（制冷量）傳給高溫循環的制冷劑，高溫循環的制冷劑再將熱量傳給環境介質。

　　復疊式冷凍機壓縮式制冷循環雖然比單級壓縮式制冷循環達到的蒸發溫度更低，但受制冷劑自身物性及壓縮機工作的特性的限制，當蒸發溫度更低時，采用多級壓縮式制冷循環往往滿足不了要求，此時，需要采用復疊式冷水機制冷循環，其主要原因是：

　　一、蒸發溫度必須高于制冷劑的凝固點，否則制冷劑無法進行循環。當制冷循環的蒸發溫度，低于該制冷劑凝固點時，制冷劑就會凝固而無法流動，從而失去循環流動的特性。例如：R717的凝固點是-77.7℃，R717制冷循環的極限溫度是-77.7℃。

　　二、蒸發溫度很低時，一般制冷劑蒸發壓力很低，比體積很大，所以制冷劑單位容積制冷量很小，這樣使壓縮機尺寸過于龐大。如常用的制冷劑R22、R17，在tk=40℃，t0=-70℃時，它們的單位容積制冷量分別只有當tk=40℃，t0=-15℃時的6.9%、和5.2%。而且過低的蒸發壓力還增加空氣滲入制冷劑系統的可能性，同時由于級間的壓力增大，使壓縮機的輸氣系統減小，系統的運行性能下降，也對安裝中系統的密封性要求很高。

　　三、低溫制冷劑大多是有機物質，凝固點低，如R13的凝固點在-180℃，并且低飽和溫度氣化時，對制冷循環的吸氣性能影響較小。但低溫制冷劑的臨界點低，如R13的臨界點為28.8℃，臨界壓力為3.861MPa,當tk>=28.8℃時，R13的冷凝壓力不僅高而且超出臨界壓力，所以在一般情況下，低溫制冷劑不能像高溫、中溫制冷劑那樣用水、空氣等普通冷卻介質來完成冷卻冷凝過程。

　　四、對于活塞式壓縮機，由于氣閥的特性，當吸氣壓力低于15kPa時，氣閥將因氣缸內外壓差過小而無法開啟。因此使用活塞式壓縮機的循環能達到的溫度只能是與15kPa相對應的飽和蒸氣溫度。如果要達到更低的蒸發壓力，即便級數再多也無能為力。若改用沸點低的制冷劑，雖然蒸發壓力可不低于15kPa，但其冷凝壓力太高，接近臨界壓力，此時循環節流損失很大。例如：t0=-100℃時，R13的冷凝壓力為p0=0.0332MPa,但同時它的冷凝壓力卻太高，當tk=30℃時，R13已經達到超臨界狀態，因此單一的低溫制冷劑的多級循環仍然不行。為了解決上述的問題，采用了兩種制冷劑的復疊式乙二醇冷凍機制冷循環。