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