雙級壓縮循環制冷系統，是把兩臺壓縮機(或一臺壓縮機的高、低壓缸)串聯運行，制冷劑在其中依次經過兩次壓縮后獲得較高的壓縮比。由于低壓級排氣溫度較高，不能直接由高壓級吸入再行壓縮，因此必須設置中間冷卻器，使低壓級壓縮機排出的過熱汽體得以冷卻，從而降低高壓級壓縮機的排溫，避免潤滑油焦化，并降低了動力消耗。另外，中間冷卻器還可以起到分離潤滑油和使高壓制冷液體過冷的作用。
雙級壓縮制冷系統，可采用單級壓縮機配組式，也可選用單機雙級壓縮機。從初次投資費用、機器的占地面積、單位功率制冷量以及機器的操作管理等來比較，采用單機雙級壓縮機比單級壓縮機配組式更合理。但單級機配組式也有其優點：可以通過不同壓縮機的搭配使用，而取得較理想的高低壓輸汽比，從而使其工況更為接近最佳工況。圖1-3-2所示的是由兩臺單級壓縮機配組的連接方案，它只承擔一個蒸發溫度的熱負荷。蒸發器的回汽，先經低壓級壓縮機吸入，壓縮到中間壓力進入中冷器，經冷卻降溫后中壓氣體再被高壓級壓縮機吸入壓縮至冷凝壓力。
為了提高制冷系統運行的靈活性，可在高壓級壓縮機的吸入管上，并聯一根吸入支管和低壓級壓縮機吸入管接通。在低壓級壓縮機排氣管上，并聯一根排氣支管和高壓級排氣管接通，在需要時，只要開啟這兩只閥門，同時關閉低壓級壓縮機向中間冷卻器的排氣閥和高壓級壓縮機的中間壓力吸入閥，即可變雙級壓縮循環為單級壓縮循環。比如在冬季時低溫庫的運行，或凍結間剛進貨后由于蒸發溫度較高，可采用單級壓縮循環，這樣有利于節能。但對雙級機電動機功率的選配，應考慮單級壓縮運行的工況。
