环境问题的凸现，使自然工质CO2作为传统工质的替代物重新回到制冷空调领域。本文的主要研究目的就是努力提高CO2跨临界循环系统的性能，使之达到与传统工质相应的COP，促使CO2空调热泵系统早日走向实际有效应用，为传统工质的替代提供最终解决方案，实现空调热泵技术的可持续发展。 本文根据对目前国内外对自然工质CO2跨临界循环系统的理论和实验研究现状的分析，以提高系统效率为目标，对CO2热泵系统的性能提升潜力进行了理论分析，并且以CO2跨临界循环性能提高最具价值的膨胀机-压缩机技术研究为核心，为CO2空调热泵技术走向实际有效应用提供理论依据和技术支持。 CO2跨临界循环的特点为系统压力较高、简单循环运行效率较低。本文针对其高压特点，分析了系统的安全性及其最优压力对系统性能的影响。为提高CO2跨临界循环系统的性能，对简单蒸气压缩制冷循环进行的主要技术改进方案可分为两类：减小节流损失；减小放热过程不可逆损失，使放热过程向等温放热过程逼近。通过引入回热器、喷射器、经济器、膨胀机等辅助制冷部件来缩小实际循环与卡诺循环的差别。在热力学理论的指导下，对于各种新型循环方式的系统性能提高潜力进行评价。 本文根据热力学理论，对超临界CO2降压、闪蒸过程膨胀做功与能量输出特性方面进行理论上的探讨。对气液相变中的亚稳平衡特性进行研究，分析影响相变延迟的因素。建立膨胀机膨胀过程中CO2过热液的成核长大热力学模型，计算CO2气化核心的临界半径和临界势垒。通过CO2过热液中能量涨落值与其临界势垒值的对比，分析非平衡相变发生的条件。探讨通过干扰降低膨胀过程生成气化核心的能量势垒，促进相变发生的机理与可行性。 采用膨胀机对于提高CO2跨临界循环系统性能具有特殊重要的意义。为减小能量转换和储存损失，尽量提高系统效率，膨胀机所产生的机械功应该被直接利用，可使膨胀机和压缩机同轴联接。研制CO2膨胀机-压缩机是推动CO2走向有效应用的重要途径。以摆动转子式膨胀机-压缩机为开发对象，采用新型的轴向进气控制方案并根据系统容量计算出设计参数。运用摩擦学系统分析影响CO2膨胀机-压缩机润滑性能的因素。对用于CO2跨临界循环系统的四类合成润滑油POE、PAG、PAO、AN/AB的主要性能如混合性、流动性、可溶性、粘温特性、稳定性和润滑性进行分析比较。 以膨胀机-压缩机的工作过程(吸气、压缩、排气；进气、膨胀、排气)为研究对象，综合考虑各种因素，建立起工作过程的数学模型并进行数值求解。求出膨胀机-压缩机中工质的主要热力参数(如压力、温度、比容)，以及其它特性(如泄漏损失、摩擦损失等)随主轴转角的变化特性，进而计算出膨胀机-压缩机的主要性能；通过对计算结果综合分析，揭示膨胀机-压缩机的内部工作规律和性能提高的途径。 本文建立用于测试膨胀机-压缩机性能的CO2跨临界循环水-水热泵系统实验台，研究膨胀机-压缩机的运行规律。为膨胀机-压缩机效率的进一步提高和系统的优化及控制提供有价值的参考依据。实验结果表明，膨胀机对CO2跨临界循环系统性能具有明显的提高作用，在一般工况下大约可以提高20％～40％，说明膨胀机技术是CO2系统性能提高的重要技术措施。但是膨胀机要走向实际应用还需要进一步优化设计参数、提高加工精度来提高其性能。本文还进行了微量不凝性气体NC-1干扰促进膨胀机内CO2流体相变发生的实验，初步实验结果显示干扰可使CO2膨胀机的效率有所提高。