本文以采用CO₂跨临界循环的小型系统为研究对象,以提高系统性能为研究目的,提出通过优化系统运行参数和以共沸混合制冷剂代替纯质制冷剂的方案。论文还对CO₂系统测试环境室及其融霜节能装置进行了简单介绍,最后,为扩大CO₂制冷技术的应用范围,对“双温区”的电冰箱系统进行了理论设计。基于小型CO₂系统建立了最优运行参数计算的热力学模型,在设定的工况下,利用模型预测了毛细管几何结构与制冷剂充注量之间的最优组合。依据理论计算结果,设计并搭建了一套小型CO₂热泵热水器系统,利用该试验台对热力学模型的计算结果进行验证。实验结果表明,当蒸发温度为3℃,气冷器出口温度为34℃,毛细管内径为1mm时,毛细管管长与制冷剂充注量之间的最优组合为3.9m和270g。对比相同运行条件下的实验数据和理论计算数据可知所建立的热力学模型具有相对较好的准确度,可以为确定小型CO₂跨临界循环中预测毛细管几何结构与制冷剂充注量之间的最优组合提供理论指导。基于优化设计后的CO₂跨临界循环,筛选出R41工质,可与CO₂组成共沸混合制冷剂。在三种不同的小型系统中（冷柜系统、空气源热泵热水器系统、水源热泵热水器系统）,不断改变工作条件,对CO₂/R41共沸混合制冷剂的性能展开了大量研究,结果表明CO₂/R41混合制冷剂将是取代纯质CO₂制冷剂的一种很好的替代品。因为其具有稳定的化学性质、较低的最优高压、较大的系统COP、较低的压缩机压缩比、较低的排气温度、较高的单位制冷量和制热量。同时,CO₂/R41（0.5/0.5）混合制冷剂可以有效地提高系统的?效率（超过23%）,且冷柜系统?效率几乎等于热泵热水器系统,这意味着CO₂/R41是一种应用于冷柜系统中的很有潜力的制冷剂。为了给以后小型CO₂系统性能测试提供实验平台,基于一台冷库,设计了一个恒温室,该恒温室具有很好的控温精度,所设计的蒸发器融霜节能装置也具有很好的效果。最后,对一台双温两门电冰箱系统进行了详细的理论设计,该系统采用CO₂跨临界循环,可以CO₂制冷技术应用范围的扩大提供思路。