多級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，需要采用復疊式制冷機組制冷循環。
復疊式制冷機組通常由兩個單獨的制冷系統組成，分別稱為高溫級及低溫級部分。高溫部分使用中溫制冷劑，低溫部分使用低溫制冷劑。
制冷劑的蒸發是用來使低溫部分系統中制冷劑冷凝，用一個冷凝蒸發器將兩部分聯系起來，它既是高溫部分的蒸發器，又是低溫部分的冷凝器。低溫部分的制冷劑在蒸發器內向被冷卻對象吸取熱量（即制取冷量），并將此熱量傳給高溫部分制冷劑，然后再由高溫部分制冷劑將熱量傳給冷卻介質（水或空氣）。