雙級壓縮（或兩級壓縮）制冷機是在單級制冷機的基礎上發展起來的，它的壓縮過程分為兩個階段進行，從蒸發器出來的制冷劑蒸汽先進入低壓缸（或低壓級壓縮機），壓縮到中間壓力，經中間冷卻以后再進入高壓缸（或高壓級壓縮機）被壓縮到冷凝壓力，排入冷凝器中。雙級壓縮制冷機的中間冷卻可以有不同的方式，而且與制冷劑的種類有關，如在氨雙級制冷機中，一般都用冷凝壓力下的液態制冷劑節流到中間冷卻器，這部分中壓液態制冷機去冷卻低壓缸排出的過熱蒸汽，并冷卻到與中間壓力相對應的飽和溫度，這種中間冷卻方式稱為中間完全冷卻。在氟利昂(如R12或R22)雙級制冷機中，中間冷卻方式一般都采用中間不完
全冷卻，它與中間完全冷卻的主要區別是低壓缸的排氣不在中間冷卻器中冷卻，而是與中間冷卻器中產生的飽和蒸汽在管路中混合以后進入高壓缸，因此高壓缸吸入的是中間壓力下的過熱蒸汽，因為氟和昂制冷劑的絕熱指數比氨小，故對排氣溫度的影響不大。
制冷機要在較低的蒸發溫度下工作，這時壓縮機的壓縮比Pk/PO就會顯著地增大，如果采用單級制冷機將會引起許多困難，甚至不能工作。這是因為:

1．壓縮比的增大，使壓縮機的輸氣系數A值降低（見題4-9），壓縮機的輸氣量碳少，使制冷量下降。
2．壓縮比的增大，使壓縮機的排氣溫度升高、氣缸壁溫度上升，影響潤滑條件，甚至會出現潤滑油的碳化、造成拉缸等不正常現象。例如。當冷凝溫度為40℃，蒸發溫度為-30℃時，單級氨壓縮機的排氣溫度可達160℃以上，顯然，這樣高的排氣溫度將會給實際運轉帶來不安全。
3．壓縮比增大，液態髑冷劑節漉引起的損失增大，即節流后產生的蒸汽（或稱閃發汽體）增多，使單位制冷垂溶少，循環的制冷系數降低。
因此，一般推薦當氨和R22制冷壓縮機的壓縮比超過8，R12制冷壓縮機壓縮比超過10時，應采用雙級壓縮制冷機