采用自然工质CO₂的跨临界循环技术具有广阔的应用前景,而提高CO₂跨临界制冷循环系统性能是推广此技术应用的关键。本文通过理论分析和实验研究相结合,重点分析了CO₂专用润滑油PAG及CO₂/PAG混合物性能、超临界CO₂冷却换热的机理、新型气体冷却器换热性能及其对CO₂跨临界水-水热泵循环系统性能的影响。论文对润滑油基本参数的不同计算公式进行了分析,利用已知润滑油烷基苯的数据,提出了便于工程应用的合成润滑油基本参数的新通用计算公式。在少量已知的润滑油PAG物性数据基础上,通过修改润滑油物性经验公式,得出PAG物性的新计算公式。论文利用润滑油与制冷剂混合物物性计算公式对超临界CO₂/PAG混合物物性进行了计算分析;同时还利用聚集态理论和非平衡热力学对临界区物性的特殊性进行了分析,结果表明临界区分子聚集行为变化较为显著是临界区物性剧烈变化的主要原因。论文分析了润滑油对制冷系统的影响。利用连续性方程和动量方程计算分析了换热管内壁上的当量油膜厚度分布。并根据提出的气体冷却器的新换热模型,对气体冷却器的性能进行了计算分析。根据计算分析结果,提出了气体冷却器的优化结构,并设计加工出新型实验用气体冷却器。新型实验用气体冷却器不仅能够减小换热管内壁上的油膜厚度,减小热阻,而且还能强化了两侧流体的对流换热效果,在很大程度上,提高了气体冷却器的整体换热性能。论文通过实验研究对CO₂新型实验用气体冷却器性能进行了分析,发现新型实验用气体冷却器换热性能较好。同时还对带膨胀机或节流阀的CO₂跨临界水-水热泵循环系统进行了实验研究。结果表明,新型实验用气体冷却器在很大程度上提高了CO₂跨临界水-水热泵循环系统性能。气体冷却器出口处的CO₂温度越低,CO₂跨临界水-水热泵循环系统性能就越高,膨胀机可回收功也就越小。