復疊式制冷，是指用兩種或兩種以上的制冷劑，由兩個或兩個以上的單級（或雙級）壓縮制冷循環系統組成的制冷裝置。一般用于-120℃∽-60℃的低溫設施，比如超低溫的冷庫，快速凍結工藝設施，需要超低溫工藝的生物及化學工業領域、低溫箱等。
復疊式制冷系統與循環原理圖
兩個單級系統組成的復疊式制冷機
三個單級壓縮循環組成的復疊式制冷機
常見的復疊式制冷裝置，系統結構上分為高溫級部分和低溫級部分。其中高溫部分用的是中溫制冷劑，低溫部分用的是低溫制冷劑。高溫部分的制冷劑蒸發使低溫部分的制冷劑冷凝，兩個部分用一個冷凝蒸發器連接起來形成一個整體。冷凝蒸發器既是高溫部分的蒸發器，也是低溫部分的冷凝器。示例圖如下：
一、低溫級部分：來自蒸發器的低溫制冷劑氣體，經過低溫級回熱器后，再經過低溫級壓縮機壓縮后進入油分，低溫制冷劑中的潤滑油在油分中大部分被分離出來，潤滑油返回壓縮機，含油量很少的制冷劑氣體進入預冷器中被預冷，然后進入冷凝蒸發器中。在冷凝蒸發器中，低溫制冷劑放出的熱量被高溫制冷劑吸收，高溫制冷劑蒸發的同時，低溫制冷劑冷凝，冷凝后的低溫制冷劑經過干燥過濾器、低溫級回熱器，再經過節流閥進入蒸發器中，完成一個制冷循環。
二、高溫級部分：在冷凝蒸發器中吸熱后蒸發的高溫制冷劑氣體，被高溫級壓縮機吸入壓縮后進入風冷冷凝器中冷凝，放出熱量給冷卻介質，冷凝后的高溫制冷劑液體進入儲液器，然后經過干燥過濾器、節流閥進入冷凝蒸發器中，完成一個制冷循環。
不同于普通的單級壓縮制冷裝置，復疊式制冷裝置有兩個特殊的組件，冷凝蒸發器和膨脹容器。其中：
一、冷凝蒸發器：一般是采用套管式換熱器或板式板式換熱器。用套管式換熱器做冷凝蒸發器時，通常為管內蒸發，管間冷凝。即高溫部分的制冷劑在管內蒸發，低溫部分的制冷劑在管間冷凝。用板式換熱器做冷凝蒸發器時，一般在高溫級的制冷劑入口裝有制冷劑液體分配器，使液體制冷劑均勻流入各通道。
二、膨脹容器：當復疊式制冷裝置停止運行后，系統各部分的溫度會逐漸上升，低溫制冷劑會汽化成為蒸汽，壓力不斷上升。由于制冷裝置中的其他部件和管路有一定的極限承壓能力，為防止壓力上升超出極限值，故在低溫部分安裝膨脹容器，當壓力達到一定數值時，壓力控制閥自動開啟，使一部分制冷劑進入膨脹容器，限制系統內的壓力不會過高。
啟動復疊式制冷裝置時，一般是先啟動高溫部分，再啟動低溫部分。操作時應嚴格按照廠家的要求進行操作。
復疊式制冷VS兩級壓縮
| 項目 | 復疊式制冷 | 兩級壓縮式制冷 |
| 系統特性 | 復雜，要兩套子系統，兩種制冷劑； 低溫制冷劑比中溫制冷劑要貴的許多 | 簡單， 只要一種中溫制冷劑。單機雙級壓縮機只需一臺；雙機雙級情況下需處理好兩臺壓縮機中潤滑油的分配問題 |
| 運行特性 | 1.存在復疊溫差，造成不可逆損失。 2.由于低溫制冷劑的容積制冷能力大，使低溫壓縮機尺寸小，機械效高。 3.每臺壓縮機的壓力適中，容積效率和壓縮過程的指示效率可以提高。 4.系統正壓或輕度負壓，外氣滲入系統的危險性小，運行穩定性好。 5.溫度調節范圍小。 | 1.不存在不可逆損失。 2.低壓級壓縮機尺寸大，機械效率低。 3.低壓級壓縮機的容積效率和指示效率低。 4.低壓機負壓程度較高，外氣滲入系統的危險性大。 5.溫度調節范圍大。 |
| 主要應用 | 工業生產用的低溫裝置，大型試驗裝置。 |
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