應用單級壓縮單級分凝循環可以獲得-60℃左右的制冷溫度，但其效率并不高。為了提高效率以及獲得-80℃左右的溫度，提出了單級壓縮兩級分凝循環。

圖6-9為單級壓縮兩級分凝循環制冷機的系統原理圖。壓縮后的制冷劑先進入冷凝器B中進行第一次分凝，然后進人分離器C中分成氣液兩部分，液體中富高沸點組分，氣體中包含幾乎全部低沸點組分和一部分高沸點組分。富高沸點組分的制冷劑液體經過干燥器D由節流閥E節流后，進入冷凝蒸發器F中蒸發。由分離器C來的混合氣體進入冷凝蒸發器F中進行第二次分凝，然后進入分離器G中分成氣液兩部分，液體由一部分低沸點組分和一部分高沸點組分組成，稱為混合液體;氣體中包含幾乎全部為低沸點組分。混合液體經干燥器H由節流閥I節流后，進入冷凝蒸發器J中蒸發。

富高沸點組分的制冷劑蒸汽進入冷凝蒸發器J中進行冷凝，成為液體，進入貯液器K。富低沸點組分的制冷劑液體由節流閥L節流后，進入蒸發器M中蒸發制冷。蒸發后，富低沸點組分的制冷劑蒸汽與混合液體由節流閥I節流后產生的濕蒸汽混合，進入冷凝蒸發器J中吸熱升溫，由冷凝蒸發器J中流出的過熱蒸汽又與富高沸點組分的制冷劑液體由節流閥E節流后產生的濕蒸汽混合，冷凝蒸發器F中進行吸熱升溫。由冷凝蒸發器J中流出的制冷劑過熱蒸汽被壓縮機吸入壓縮。