复叠制冷机由高温部分和低温部分组成。它的低温部分提供了所需的深度冷却能力。使用低温制冷剂，但这类制冷剂对冷凝温度的要求很低，在相同压力下很难用冷却水进行冷凝。高温部分采用中温制冷剂循环，用于冷凝低温制冷剂。高温部分和低温部分共用一个蒸发冷凝器和“复叠”，从而形成使用两种制冷剂的复叠制冷循环。
虽然复叠制冷机压缩制冷循环的蒸发温度低于单级压缩制冷循环，但由于制冷剂物理性质和压缩机工作特性的限制，当蒸发温度较低时，多级压缩制冷循环往往不能满足要求。这时就需要复叠式冷水机组制冷循环。主要原因是：
1、蒸发温度必须高于制冷剂的冰点，否则制冷剂无法循环。当制冷循环的蒸发温度低于制冷剂的冰点时，制冷剂就会凝固而不能流动，从而失去循环流动的特性。例如R717的冰点为-77.7℃，R717制冷循环的极限温度为-77.7℃。
2、当蒸发温度很低时，制冷剂的蒸发压力一般很低，比容很大，所以单位体积制冷剂的制冷量很小，使压缩机过大。此外，低蒸发压力也增加了空气渗入制冷剂系统的可能性。同时，由于级间压力的增加，压缩机的气体传输系统减少，系统的运行性能下降，这也要求系统在安装时具有较高的密封性能。
3、低温制冷剂多为冰点低的有机物。在低饱和温度气化时，对制冷循环的吸气性能影响很小。然而，低温制冷剂的临界点较低。例如R13的临界点为28.8℃，临界压力为3.861MPa。当tk>=28.8℃时，R13的冷凝压力不仅高，而且超过临界压力。因此，一般来说，低温制冷剂不能像高温和中温制冷剂那样用水、空气和其他常见的冷却介质完成冷却和冷凝过程。
