本文以自然工质CO2跨临界循环膨胀机为研究对象，从减小节流损失和回收循环系统膨胀功的角度，重点探索提高系统效率的关键技术问题，旨在使自然工质CO2跨临界循环在环保和节能方面均具有优势，为其向实用化迈进提供理论指导和实践经验。本文的研究涉及热力学、材料力学、流体力学、机械学等学科，主要研究内容主要有以下几个方面：1． CO2跨临界循环膨胀过程的理论分析和膨胀机理的研究以非平衡热力学和相变理论为指导，对CO2膨胀可能经历的三种相变过程进行了理论分析，选择出位于临界点左侧的相变过程作为膨胀机设计的依据，即经历超临界流体区和过冷液区，到达气液两相区的等熵膨胀过程。在此基础上，对该相变膨胀过程进行了深入的机理分析，得出了该膨胀过程的特点，即：CO2等熵膨胀过程为稳态或亚稳态相变过程，以单相存在的过热液体处于亚稳定状态，一旦有了汽化核心，它就立刻分裂成更为稳定的两相；CO2膨胀机中的气泡是在快速降压下过热液中生长的，气泡的成长速度大于常压场下气泡的成长速度，而且蒸气密度随时间变化较大。而且分别对于亚临界区和两相区探讨了膨胀过程中膨胀功的来源，为膨胀机的设计提供了理论指导。2． CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的理论分析和设计在分析比较不同类型膨胀机的特点和使用范围的基础上，提出选择研制CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的目标。从热力学原理出发，分析了CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的工作过程，确定了膨胀机的主要结构参数，计算了吸入阀开口的时间、膨胀机流量、膨胀过程中气缸内流体的物性参数变化规律以及膨胀机的功率特性。探讨了膨胀机的吸气控制方案，决定采用机械式控制方法，并分析了变工况下的调节方案。在对滚动活塞膨胀机的滑板、滚动活塞、偏心轮轴进行运动与受力情况分析计算的基础上，从泄漏、机械摩擦、流动阻力几个方面进行了不可逆损失分析和计算，并提出了改进措施。<WP=3>3． CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的实验研究开发了CO2滚动活塞膨胀机样机，研制了CO2跨临界循环膨胀机试验系统，并对CO2跨临界循环中的滚动活塞膨胀机和膨胀机循环的运行性能进行了实验研究。验证了所开发的CO2滚动活塞膨胀机的实际工作的可行性，得出其设计工况下的实际运行效率，并找出了存在的问题；检验了所开发的CO2滚动活塞膨胀机工作变化特性，得出不同CO2流体流量和转速下，其性能的变化规律；检验了变工况设计方案的可行性，得出不同工况下带膨胀机的CO2跨临界循环系统COP的变化规律，可以看出CO2滚动活塞膨胀机只适合在定工况下运行。与采用节流阀的CO2跨临界循环系统的对比实验验证了CO2滚动活塞膨胀机对于提高效率的作用。