復疊式制冷循環是指由兩個或兩個以上的制冷循環按照一定的結構組合在一起進行制冷的循環，一般來說功率較大，因此采用的是螺桿式制冷壓縮機，我們把這種冷水機稱之為復疊式螺桿冷水機組。
螺桿冷水機組的控溫范圍是5-35℃，而復疊式螺桿冷水機組可以獲得比多級壓縮更低的蒸發溫度，比如在兩個單級或單級雙級復疊的基礎上再增加一個低溫工質的單級系統所組成的制冷循環可以得到-110～-140℃的低溫。通常情況下，這種是水冷系列，因此還有一種叫法是復疊式水冷螺桿冷水機組。
如上圖所示，常用的復疊式螺桿冷水機組制冷循環都是由兩部分組成，分別稱為高溫部分和低溫部分。高溫部分使用中溫制冷劑，低溫部分使用低溫制冷劑，兩部分各自稱為一個使用單一制冷劑的制冷系統（單級或兩級壓縮），其中，高溫部分系統中的制冷劑的蒸發用來吸收低溫部分系統中制冷劑在冷凝器中放出的熱量。
復疊式制冷循環的兩個部分用一個冷凝蒸發器聯系起來，它既是低溫部分的冷凝器，又是高溫部分的蒸發器。這樣，低溫部分吸收的熱量（即循環的制冷量）就可傳給高溫部分的制冷劑，而高溫部分的制冷劑再將熱量（即循環的冷凝負荷）傳遞給環境介質（空氣或水）。
也有的復疊式水冷螺桿冷水機組制冷循環是由三部分組成的，分別稱為高溫部分、中溫部分和低溫部分，用三種制冷劑為工質。
