復疊式制冷循環通常由兩個或3個獨立的單級制冷循環組合而成，其中每一循環都是一個完整的單級或兩級壓縮系統，圖2-5a所示為由兩個單級壓縮循環組成的復疊式制冷原理圖。高溫循環使用R12, R22等中溫制冷劑，而低溫循環則采用如R13, R14等低溫制冷劑。高溫循環所制取的冷量供低溫制冷循環冷凝用，所以兩個循環系統有聯系的部分就是蒸發冷凝器，它既是高溫循環的蒸發器，又是低溫制冷循環的冷凝器。通過其中的熱交換，使低溫制冷循環維持較低的冷凝溫度，一般tk在-35℃左右，這樣使低溫制冷循環的冷凝壓力維持在0.7~0.8MPa左右(R13在-35℃時的飽和壓力為0.731 MPa)，解決了低沸點制冷劑冷凝壓力高的矛盾。而低溫循環的蒸發器則在箱中制取-80℃左右的低溫。由于蒸發冷凝器有傳熱溫差，所以低溫循環的冷凝溫度tk必高于高溫循環的蒸發溫度t0’，一般取tk-t0’=5~10℃。    

為了進一步分析復疊式制冷循環，用壓始圖來表示比較方便，圖2-5b把兩個制冷循環按飽和溫度的高低(以便在飽和區中比較兩者溫度的高低)重疊在一起，其中1-2-3-4-1為低溫循環，在圖中用實線表示;而1'-2'-3'-4'-1’為高溫循環，在圖中用點畫線表示。圖2-5a與b中用數字表示的狀態是相互對應的。復疊式制冷循環的理論計算就是兩個單級制冷循環，但設計計算時，高溫循環的制冷量應等于低溫循環的冷凝熱量。