臭氧层破坏和温室效应的加剧，使得自然工质CO2的应用研究重新成为国际上的研究热点，开发高效的CO2跨临界循环设备，提高CO2跨临界循环系统的运行效率，是促进该技术走向实用化的关键。本文通过理论分析、计算机模拟和实验相结合，重点对CO2滚动活塞膨胀机和涡旋压缩机进行了研究。 本文对CO2滚动活塞膨胀机的主要运动部件进行了动力学分析，依据质量守恒和能量守恒定律，以吸气腔和排气腔作为控制容积，建立了较为系统和完善的滚动活塞膨胀机工作过程热力学模型，包括摩擦损失、泄漏损失、流动损失和膨胀机效率方程。采用EULER数值方法对方程离散求解，得出在不同转角时膨胀机各个泄漏通道的泄漏量和工作腔内相应的热力参数变化规律，为膨胀机的性能改进和优化设计提供理论依据。 利用弹性力学理论和有限元方法，对CO2滚动活塞膨胀机运动部件在压差最大工况时的变形进行了有限元分析，计算了滑板、滚动活塞和偏心轴的压差变形，为膨胀机的设计和理论分析提供了依据。 在带膨胀机的CO2跨临界循环水-水热泵系统及其数据采集系统的基础上，建立了膨胀机示功图测试系统，实现了较精确的膨胀机内部压力测量。通过对系统主要运行参数的调节，对膨胀机在不同转速下的运行特性和示功图进行了测试和分析，验证了膨胀机内部可能产生的三种膨胀过程并给以合理解释，指出膨胀机在实际运行工况下的膨胀比是产生三种膨胀过程的内在原因。对带膨胀机的CO2跨临界循环系统特性进行了分析，当膨胀机在设计转速附近运行时，膨胀机的效率、回收功和系统COP最佳。 参照国标的相关规定并结合CO2跨临界循环的特点，设计了CO2涡旋压缩机，其涡圈始端型线进行了对称圆弧修正，计算了动涡盘的切向气体力、径向气体力和轴向气体力，并对十字滑环、动涡盘和主轴进行了详细的动力学计算和分析。考虑泄漏、摩擦、流动和传热等不可逆因素，建立了CO2涡旋压缩机工作过程的数学模型并对该模型进行了求解和分析，计算和分析结果可用于指导CO2涡旋压缩机的优化设计，为今后进一步研究涡旋压缩机打下基础。