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

　　復疊式冷凍機壓縮式制冷循環(huán)雖然比單級壓縮式制冷循環(huán)達到的蒸發(fā)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(fā)溫度更低時，采用多級壓縮式制冷循環(huán)往往滿足不了要求，此時，需要采用復疊式冷水機制冷循環(huán)，其主要原因是：

　　一、蒸發(fā)溫度必須高于制冷劑的凝固點，否則制冷劑無法進行循環(huán)。當制冷循環(huán)的蒸發(fā)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(huán)流動的特性。例如：R717的凝固點是-77.7℃，R717制冷循環(huán)的極限溫度是-77.7℃。

　　二、蒸發(fā)溫度很低時，一般制冷劑蒸發(fā)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(fā)壓力還增加空氣滲入制冷劑系統(tǒng)的可能性，同時由于級間的壓力增大，使壓縮機的輸氣系統(tǒng)減小，系統(tǒng)的運行性能下降，也對安裝中系統(tǒng)的密封性要求很高。

　　三、低溫制冷劑大多是有機物質(zhì)，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(huán)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(zhì)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(nèi)外壓差過小而無法開啟。因此使用活塞式壓縮機的循環(huán)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(fā)壓力，即便級數(shù)再多也無能為力。若改用沸點低的制冷劑，雖然蒸發(fā)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(huán)節(jié)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(jīng)達到超臨界狀態(tài)，因此單一的低溫制冷劑的多級循環(huán)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(huán)。