本文以自然工质二氧化碳为研究对象,以提高跨临界循环性能为目标,从理论和实验两方面对管内超临界二氧化碳的冷却传热特性进行了研究,并对跨临界二氧化碳汽车空调系统的性能及其影响因素进行了理论分析,指出系统中的热力膨胀阀、气冷器和压缩机三部件的能量损失最大,提出以膨胀机代替节流元件,可以减小节流损失;增加吸气热交换器可明显提高制冷量和COP值。研究表明蒸发温度、高压侧压力及气冷器出口温度等参数影响循环效率,其中高压侧压力对系统性能的影响最大,并存在最优值。分析了影响超临界二氧化碳对流换热的主要因素:压力、质量流量、流体流动方向、管径和浮升力、润滑油和热流密度等,并对超临界二氧化碳水平管内换热机理进行了探讨,认为超临界二氧化碳换热特性的主要影响因素可以归结为比热和流动边界层内物性的变化。设计并研制了超临界二氧化碳换热特性实验台,可在较宽的温度、压力和质量流量范围内开展超临界和亚临界二氧化碳单管、多管的对流换热和换热器性能的实验研究,解决了高压管内流体的测温和密封问题。通过对超临界二氧化碳在水平管内冷却换热的实验研究,探讨了压力、入口温度、质量通量密度和冷却水量(热流密度)对换热性能和压降的影响,得出了换热量、平均换热系数、局部换热系数和压降的变化规律。并将实验结果与4个经验关联式进行对比分析,找出了适合本实验条件的关联式。本文的研究工作为二氧化碳的实际应用提供了理论依据和实验经验。