本發明提出一種采用雙級氣液分離器的一級自復疊低溫制冷循環系統,該系統包括壓縮機、冷凝器和第一級氣液分離器入口依次相連,第一級氣液分離器產生的富含高沸點工質的飽和液體制冷劑經過節流閥進入第二級氣液分離器,分離獲得飽和氣體和液體;第一級氣液分離器產生的飽和氣體工質經過節流閥與第二級氣液分離器所得的氣體混合后進入蒸發冷凝器冷卻為過冷液體,再經節流閥節流后流進入蒸發器吸熱變為飽和氣體,然后與來自第二級氣液分離器的富含高沸點組分的工質混合后進入冷凝蒸發器吸熱變為過熱氣體,最后進入壓縮機,實現完整的自復疊制冷循環;采用兩級串聯的氣液分離器,進一步提純低沸點工質用于制冷,提升了壓縮機吸氣壓力,同時增加了蒸發器工質流量,有效地改善了低溫制冷系統的性能。