本文以自然工质CO₂为研究对象,对其双级压缩制冷循环及闪蒸式中冷器进行了理论分析、计算机模拟和实验研究。对CO₂带闪蒸式中冷器的双级压缩及单级压缩制冷循环进行了对比分析,分析了蒸发温度、气体冷却器出口温度及压缩机效率对系统性能影响的不同,指出单、双级压缩都存在最优高压压力。相同压缩机效率时,双级压缩制冷循环的系统性能高于单级的系统性能。文章还对CO₂双级压缩制冷循环的两种不同形式——带中间气体冷却器和带闪蒸式中冷器的进行了对比分析,分析了蒸发温度及气体冷却器出口温度对系统性能的影响,指出这两种循环都存在最优高压压力和最优中间压力。建立了闪蒸式中冷器的模型,并进行了模拟计算,分析了各个参数对管内CO₂出口温度的影响。建立了CO₂双级压缩带闪蒸式中冷器的实验台,介绍了系统的基本构成,对闪蒸式中冷器管内CO₂出口温度的实验值和模拟值进行了对比分析,发现变化趋势吻合得很好,说明模拟程序是正确的,有参考价值的。并根据实验数据拟合出一个相对简单的CO₂管外池沸腾换热关联式,为以后的计算提供了依据。