復疊式制冷循環(huán)是將較大的總溫差分割成兩段或若干段，根據每段的溫區(qū)選擇適宜的制冷劑循環(huán)，然后將它們疊加起來，用高溫級的制冷量來承擔低溫級的冷凝負荷，從而獲取較低制冷溫度的方式。復疊式制冷屬于蒸汽壓縮式制冷的一種特殊形式，通常由兩到三個工作溫區(qū)不同的獨立蒸汽壓縮式制冷循環(huán)組成，以兩級復疊式制冷循環(huán)為例，它由高溫級和低溫級兩部分組成，高溫級中使用中溫制冷劑，低溫級中使用低溫制冷劑，形成兩個單級壓縮制冷系統(tǒng)復疊工作的循環(huán)。兩級系統(tǒng)之間采用冷凝蒸發(fā)器銜接起來，高溫級的中溫制冷劑在其中蒸發(fā)制冷，使低溫制冷劑在其中放熱，與蒸發(fā)的中溫制冷劑進行熱交換后被冷凝成液體。從冷凝蒸發(fā)器出來的中溫制冷劑蒸氣帶走低溫制冷劑的冷凝熱量，經過高溫級制冷循環(huán)將熱量傳遞給環(huán)境介質。而從冷凝蒸發(fā)器出來的低溫制冷劑液體，經低溫級節(jié)流閥降壓后，進入蒸發(fā)器吸取被冷卻物的熱量而蒸發(fā)制冷，獲取所需要的低溫。

一般情況下，兩級復疊式制冷循環(huán)的有效工作范圍在-80 ℃以上，為獲取更低的溫度，需要用三級復疊式制冷循環(huán)，蒸發(fā)溫度可達-140 ℃。三級以上的復疊式制冷循環(huán)由于工作效率低下和經濟型較差等原因在工業(yè)應用中一般不采用。

復疊式循環(huán)制冷的優(yōu)點在于通過常規(guī)的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，在正常工作壓力范圍和壓比的前提下能實現(xiàn)低至-140 ℃的制冷溫度，在保證工作效率的同時極大地拓寬了常規(guī)系統(tǒng)的制冷溫區(qū)。

復疊式循環(huán)制冷由于增加了制冷循環(huán)數(shù)量，從而導致系統(tǒng)部件呈倍數(shù)增加，增加生產成本的同時使得制冷系統(tǒng)更加復雜，這也導致了復疊式系統(tǒng)啟動時需按順序依次進行，一般高溫級制冷循環(huán)先啟動，待低溫級壓力降低到閾值壓力以下時再開啟低溫級制冷循環(huán)。此外，系統(tǒng)復雜程度的提高也使得運行維護更加繁瑣，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性下降。