要突破單級壓縮制冷不可能獲得較低制冷溫度的限制，首先要克服的技術障礙是壓縮機的壓縮比不可能很大以及壓縮終溫過高的問題。
制冷劑的冷凝溫度由環境介質溫度決定，冷凝溫度一定時，冷凝壓力就是一定的。如欲使蒸發溫度降低，則蒸發壓力就降低。此時壓縮比π=pk/p0就增大，導致輸氣系統變小，壓縮機效率下降，排氣溫度升高。由于容積式壓縮機都有一定的余隙容積，當壓縮比增大到一定數值以后，余隙容積中殘留的氣體在膨脹時會一直膨脹到壓縮腔最大容積，使壓縮機不能吸氣。同時，在冷凝溫度不變的條件下，蒸發溫度的降低將使排氣溫度上升，有可能超過允許的排氣溫度。
一般的開啟式活塞壓縮機，單級壓縮比為8-13，當制冷劑為R717時，因其絕熱指數較大，因此壓縮比應較小，通常π≤8。對于大多數鹵代烴，其絕熱指數較小，故π≤10。小型半封閉和全封閉壓縮機的壓縮比可更大一些，可使用到π≈13。在通常的環境溫度下，使用中溫制冷劑，單級壓縮制冷可獲得+10~-40℃的低溫。
為了在通常的冷凝壓力下獲得較低的蒸發溫度，可將多臺壓縮機串聯起來，以克服壓縮比不足的困難，提高壓縮機的效率，同時采用中間冷卻，以消除壓縮終溫的限制。這樣，循環成為多級壓縮制冷循環。
多級壓縮制冷所能獲得的蒸發溫度為-70~-30℃，壓縮的級數主要取決于每一級壓縮的排氣溫度。如再想降低制冷溫度，就要受到制冷劑的臨界溫度、冷凝壓力、蒸發壓力等因素的制約，多級壓縮制冷無法解決這些問題。
綜上所述，當一種制冷劑可以滿足冷凝壓力不過高、蒸發壓力不過低的要求，而壓縮機的壓縮比不能滿足要求以及壓縮終溫過高時，應采用多級壓縮制冷。
