本文首先综述了CO₂作为制冷剂的历史,以及理论、应用领域的研究成果。而CO₂作为工质的低温分离式热管的研究工作鲜有文献报道。分离式热管换热器具有传热效率高、远程传热、现场布置灵活、小的流动阻力等特点,其最大的优点是加热段与冷凝段可以相互独立,各国学者都展开了对其的研究工作。本文对CO₂低温分离式热管开展了实验研究,具有重要的意义。其次本文介绍了蒸发段采用的蛇管翅片换热器的设计思路,之后利用优化算法对CO₂低温分离式热管的结构进行了优化设计,目标函数分别为蒸发器体积最小、蒸发器传热系数最大、充注量最小以及兼顾各个目标函数的多目标优化。选取肋片间距、管间距、管排数、每排管数、传热管外径、单管长度等作为决策变量,并对其进行了敏感性分析;对影响系统流动阻力的各种因素进行了理论计算分析,因素包括:制冷量、蒸发温度、蒸发段管径、冷凝段管径、气体上升管管径、中间换热器布置高度、蒸发器出口干度。模拟分析了这些因素对最小供液高度、充注率的影响情况。第三,在理论分析的基础上,搭建了CO₂低温分离式热管的实验台,并对其性能进行了实验研究。对系统在不同充注量、不同热负荷下的性能进行了分析。实验过程当中分为三次对系统蒸发段换热器进行了改造,并对每次改造后的性能进行对比分析,结论为单排带热负荷及双排无热负荷下最佳充注量均为950g,并且经过系统优化还可以继续降低充注量。最后在实验基础上,本文结论部分提出系统的改进方案,为CO₂低温分离式热管的进一步研究及实际应用提供参考。