復疊式系統是預冷系統的展開，由其他制冷系統來預冷。復疊式系統是第一個用于生產液態空氣(簡稱液空)的液化裝置。復疊式系統于1933年由Keesom提出。
該系統如圖31-7所示，用氨來液化1925kPa下的乙烯，再用乙烯來液化2530kPa下的甲烷，最后用甲烷來液化1885kPa下的氮氣。另一個復疊式系統是用R12, R13和R14來液化氮、空氣或氧。1954年，鮑爾也介紹了僅使用兩種氟利昂組分的復疊式系統。從熱力學觀點看，它比以上討論的任何系統更接近理想可逆系統，所以最適宜作為液化循環。 但從圖31-7可以看出，它很復雜，并不像前面討論的系統那樣可以寫出液化率的簡單表達式。基于通過節流閥的壓降減少，不可逆損失降低這個事實，復疊式系統比上面提到的任何系統的性能都好。所需壓力降低是該系統的另一個優點。但復疊式系統存在一個嚴重的缺點，即系統的每一級循環都必須完全不漏，以防止流體滲透。這意味著確保不漏維護十分艱辛，當有泄漏產生時，將帶來危害。