分别采用两种或两种以上不同的制冷剂，由两个或两个以上的单级（也可以是双级）制冷系统组合而成。适用于-50℃以下的低温装置。复叠式制冷机通常由两个单独的制冷系统组成，分别称为高温级及低温级部分。高温部分使用中温制冷剂，低温部分使用低温制冷剂。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。低温部分的制冷剂在蒸发器内向被冷却对象吸取热量（即制取冷量），并将此热量传给高温部分制冷剂，然后再由高温部分制冷剂将热量传给冷却介质（水或空气）。
