CO2作为一种天然制冷剂，具有良好的热力和环保特性，尤其是CO2运行于跨临界循环时，在气体冷却器中产生较大的温度滑移，非常利于水的温升加热，具有较高的制热效率，因此在热泵技术领域显示出了巨大的优势。但同时，基于CO2跨临界循环中CO2处于超临界状态下，对系统设计和部件性能也提出了更高的挑战。
二氧化碳制冷技术—原理
CO2常温常压下是气态，在常温一定压力下可以凝结成液体（乃至固体），压力撤销后迅速蒸发（升华），带走大量热，达到降温的目的。舞台利用干冰制造雾气就是利用的这个原理，干冰吸热降温，使空气中的水蒸汽凝结成小水滴，形成雾气。CO2用做制冷剂有很多好处：在氟利昂类制冷剂被替代后，目前的制冷剂最大的危害是加重温室效应，其对温室效应的影响是CO2的200倍，所以CO2做制冷剂比目前的制冷剂R14（汽车的是R134a）。但CO2在常温下需要较高的压力（40MPa）才能冷凝成液体，目前的技术还很难达到，所以目前CO2的制冷技术还不完善。二氧化碳制冷技术—目前三大应用领域
目前二氧化碳的研究和应用主要集中于三个方面：一方面是汽车空调领域，由于制冷剂排放量大，对环境的危害也大，必须尽早采用对环境无危害的制冷剂；第二方面是热泵热水器，二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度；第三方面是考虑到二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性，采用它作为复叠制冷循环低温级制冷剂。
在复叠式制冷系统中，二氧化碳循环在亚临界条件下运行。此时二氧化碳用作低压级制冷剂，高压级用NH3作制冷剂。与其它低压制冷剂相比，即使处在低温，二氧化碳的粘度也非常小，传热性能良好，因为利用潜热，其制冷能力相当大。目前，欧洲在超市中已建立了几个这种用二氧化碳作低温制冷剂的复叠式制冷系统，运行情况表明技术上是可行的，这种系统还适用于低温冷冻干燥过程。美国伊利诺伊大学（UIUC）空调和制冷中心的C.W.Bullard等对二氧化碳工质在家用空调、超市冷柜等方面的应用进行了广泛的理论与实验研究。
二氧化碳制冷的性质
二氧化碳密度为1.977g/mL，熔点-56.6℃(226.89千帕——5.2大气压)，沸点-78.5℃(升华)。
常温下7092.75千帕(70大气压)液化成无色液体。液体二氧化碳密度1.1克/厘米3。液体二氧化碳蒸发时或在加压冷却时可凝成固体二氧化碳，俗称干冰，是一种低温致冷剂，密度为1.56克/cm3。
二氧化碳能溶于水，20℃时每100体积水可溶88体积二氧化碳，一部分跟水反应生成碳酸。
化学性质稳定，没有可燃性，一般不支持燃烧。无毒、但空气中二氧化碳含量过高时，也会使人因缺氧而发生窒息。二氧化碳在大气中约占总体积的0.03％，人呼出的气体中二氧化碳约占4％。
在一个大气压下，升华温度为195K，升华潜热573.27kj/kg。
CO2作为制冷剂的一些优点
1．CO2是天然物质，ODP=0，GWP=1。使用CO2作为制冷工质，对大气臭氧层没有破坏作用，可以减少全球温室效应，来源广泛，勿需回收，可以大大降低制冷剂替代成本，节约能源，从根本上解决化合物对环境的污染问题，具有良好的经济性。
2．CO2安全无毒、不可燃，并具有良好的热稳定性，即使在高温下也不会分解出有害的气体。万一泄漏对人体、食品、生态都无损害。
3．CO2具有与制冷循环和设备相适应的热物性。分子量小，制冷能力大，0℃的单位制冷量比常规制冷剂高5～8倍，因而对于相同冷负荷的制冷系统，压缩机的尺寸可以明显减小，重量减轻，整个系统非常紧凑；润滑条件容易满足，对制冷系统常见材料无腐蚀，可以改善开启式压缩机的密封性能，减少泄漏。
4．CO2黏度小，0℃时CO2饱和液体的运动黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%，流体的流动阻力小，传热性能比CFC类制冷剂更好，可以改善全封闭制冷压缩机的散热。蒸发潜热大，单位容积制冷量高，可降低循环管路管径，其单位容积制冷量为R134a的7.9倍。
5.绝热指数高，k=1.3压缩比低。资源丰富。
CO2作为制冷剂的一些缺陷
1 临界温度低，临界压力高。CO2制冷系统无法完成通常的压缩，冷凝，节流膨胀，蒸发，这样的蒸发压缩式循环过程。
2 系统压力要求高,蒸发压力高达4MPa,冷凝压力高达10MP这样就对制冷部件耐压，密封提出高更要求。如：临界温度低为31.1℃，冷凝压力高约为10Mpa，为R134a的11倍，对设计、设备尤其是阀门要求很高，且后期操作维护专业性要求高。
3 由于压力高节流膨胀过程损失大。
4 压力降低时，与润滑油的互溶性下降，造成系统内油沉淀响换热。
跨临界CO2制冷循环的特点：
冷却器出口温度tk>tc，冷却压力pk>pc，高压侧温度和压力相互独立，使CO2跨临界制冷系统多了一个自由度或可控参数。
采用回热，点e处于两相区或饱和蒸气线上。
CO2压缩机
吸入口压力达3.5～4.0MPa；
出口压力高达8.0～11.0MPa；
CO2压缩机压缩比为2.5～3.5；
CO2压缩机吸排气压差可达5～8MPa。
二氧化碳制冷设备
CO2膨胀机
CO2膨胀机相当于制冷空调产品中的节流装置，是降低蒸发器入口焓和回收节流膨胀功以提高制冷量和减少压缩机输入功率的重要设备
尤其对于CO2制冷循环而言，节流膨胀阀被看做是能量损失的主要部件。理论研究表明，采用膨胀机的CO2循环系统的性能改进在2750℃范围内为40%60%，是CO2制冷系统具有了与传统氟利昂制冷系统媲美甚至具有更好的系统性能。
跨临界CO2汽车空调
Benz公司现已开始生产装备CO2汽车空调系统的轿车，Konvecta公司生产的以CO2为工质的空调公交车已运行数年。
跨临界CO2热泵
CO2热泵热水器的吸热过程在亚临界条件下进行，换热主要依靠潜热来完成；而冷凝过程则是在超过临界点的区域内进行，放热依靠显热来完成，是一个伴随有较大温度滑移的变温过程。这正好可与水加热时的温升相匹配，自然可减少高压侧不可逆传热引起的能量损失，既可满足用户的需要又能有效提高系统的性能，因此CO2热泵热水器较早地引起了人们的重视。
CO2复叠制冷系统
CO2复叠制冷系统主要由低温级和高温级组成，低温级采用CO2作为制冷剂，系统适用于蒸发温度在-55～-25℃之间的多种工况。
CO2螺杆复叠制冷系统广泛应用于食品、石油、化工、医药、酿酒、建筑、矿产、纺织、机械、航空航天等需要实现人工制冷的领域，特别是水产品加工、肉类加工、冰淇淋及乳制品加工、远洋渔业等低温冷藏及速冻系统。
