單級壓縮制冷因為受到壓縮比(冷凝壓與蒸發壓之比叫壓縮比，Pk/P0=k)的限制只能得到-25℃的低溫，若要取得更低的制冷溫度只有采用雙級壓縮，將兩臺壓縮機串聯起來使用，使青島制冷劑依次進行壓縮以提高壓縮比。雙級壓縮制冷循環如圖2-4a所示，相應的Igp-h圖則如圖2-4b所示。
雙級壓縮制冷循環過程為:從高壓級壓縮機排出的高沮高壓過熱蒸氣4,進入冷凝器中被冷凝成液體5。從冷凝器流出后分為兩路，一路通過膨脹閥A進行節流，節流后降溫至狀態6,然后進入中間冷卻器吸熱，使中間冷卻器內維持在中間溫度tm。從中間冷卻器中汽化分離出來的干蒸氣3’與從低壓級排出的壓力為Pm的過熱氣2混合成壓力為Pm、溫度為t3(介于t2與tm之間)的過熱蒸氣3。在高壓級中維持狀態3壓縮至4，這是一路循環。另一路以飽和液體5進入中間冷卻器中的盤管進行再冷卻，成為溫度較低的過冷液7,然后經膨脹閥B的節流以狀態8進入蒸發器，在t0溫度下汽化吸熱至狀態1，在低壓級壓縮機中進行1至2的壓縮過程，排出的過熱蒸氣2與從中間冷卻器出來的蒸氣3’混合成3而進入高壓級壓縮機，最后成為狀態4被排出，這一路循環是主循環。假若循環過程連續發生，就能不斷獲得低溫。達到制冷目的。
從圖2-4中可以看出，3-4-5-6-3的循環是在中間冷卻器中制得冷量，供另一循環飽和液體的過冷(5-7)及過熱蒸氣的冷卻(2-3)之用。而1-2-3-4-5-6-7-8-1的循環，就是供制取低溫冷量的，它經過高低壓壓編機的兩次壓縮。
整個系統有3個壓力，一段為4-5-7，其壓力為Pk(冷凝壓力)，稱高壓段;一段為8-1，其壓力為P0(蒸發壓力)，稱低壓段;另一段是6-3-2，其壓力為Pm，為中間壓力，它是低壓級的排氣壓力，又是高壓級的吸氣壓力。
