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復疊式制冷循環是將較大的總溫差分割成兩段或若干段，根據每段的溫區選擇適宜的制冷劑循環，然后將它們疊加起來，用高溫級的制冷量來承擔低溫級的冷凝負荷，從而獲取較低制冷溫度的方式。復疊式制冷屬于蒸汽壓縮式制冷的一種特殊形式，通常由兩到三個工作溫區不同的獨立蒸汽壓縮式制冷循環組成，以兩級復疊式制冷循環為例，它由高溫級和低溫級兩部分組成，高溫級中使用中溫制冷劑，低溫級中使用低溫制冷劑，形成兩個單級壓縮制冷系統復疊工作的循環。兩級系統之間采用冷凝蒸發器銜接起來，高溫級的中溫制冷劑在其中蒸發制冷，使低溫制冷劑在其中放熱，與蒸發的中溫制冷劑進行熱交換后被冷凝成液體。從冷凝蒸發器出來的中溫制冷劑蒸氣帶走低溫制冷劑的冷凝熱量，經過高溫級制冷循環將熱量傳遞給環境介質。而從冷凝蒸發器出來的低溫制冷劑液體，經低溫級節流閥降壓后，進入蒸發器吸取被冷卻物的熱量而蒸發制冷，獲取所需要的低溫。

一般情況下，兩級復疊式制冷循環的有效工作范圍在-80 ℃以上，為獲取更低的溫度，需要用三級復疊式制冷循環，蒸發溫度可達-140 ℃。三級以上的復疊式制冷循環由于工作效率低下和經濟型較差等原因在工業應用中一般不采用。

復疊式循環制冷的優點在于通過常規的蒸氣壓縮式制冷循環，在正常工作壓力范圍和壓比的前提下能實現低至-140 ℃的制冷溫度，在保證工作效率的同時極大地拓寬了常規系統的制冷溫區。

復疊式循環制冷由于增加了制冷循環數量，從而導致系統部件呈倍數增加，增加生產成本的同時使得制冷系統更加復雜，這也導致了復疊式系統啟動時需按順序依次進行，一般高溫級制冷循環先啟動，待低溫級壓力降低到閾值壓力以下時再開啟低溫級制冷循環。此外，系統復雜程度的提高也使得運行維護更加繁瑣，系統運行穩定性下降。