復疊制冷系統是采用兩種以上制冷劑，在兩個以上的系統內用換熱器（冷凝蒸發器）將其組合在一起的低溫制冷系統。對于二元復疊制冷系統冷水機，由兩個單獨的制冷系統組成，一個是高溫系統，一個是低溫系統。低溫系統是用來冷卻環境實驗室，而高溫系統是用來冷卻低溫系統排出氣體使之在較低溫度下凝結。這樣同樣達到減小壓縮比提高輸氣系數的目的。

　　這種復疊低溫制冷系統工業冷水機的優點是采用適合于高溫系統的中壓制冷劑與適合低溫系統的高壓制冷劑。由于低溫時高壓制冷劑氣體的比容較中壓制冷劑的比容小得多，因此，在低溫時同一型號的壓縮機作復疊制冷較雙級壓縮制冷的制冷量大數倍，選用復疊制冷系統冷水機可節約大量投資及建筑面積。而且高壓制冷劑在低溫時吸入壓力大于或接近于一個大氣壓下工作，不會像雙級低溫系統那樣經常往系統滲入空氣。
　　曾經有工程師就用R13做低溫級，R22做高溫級的二元復疊制冷系統作一比較，相同冷量設備投資，雙級壓縮制冷系統冷水機是復疊制冷系統冷水機的三倍多。電動機安裝功率，雙級壓縮制冷系統是復疊制冷系統的二倍多。由于雙級制冷系統的壓縮機數量多，摩擦功率增加，因此雙級壓縮機的能量消耗為復疊制冷系統的1.5倍以上。
　　除去用戶要求溫度變化多，環境溫度高于-55℃以上外都可以采用復疊制冷系統工業冷水機組。目前采用復疊制冷系統做低溫實驗設備的冷源也越來越多。