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），带走大量热量，达到降温的目的。作为制冷剂， C0₂在19世纪末到20世纪二三十年代曾被使用过。但限于当时的技术水平，使用CO₂的制冷系统能效低，设备很笨重，大多用于船舶。前国际制冷学会主席Lorentzen在1994年提出了CO₂跨临界循环理论，指出若采用跨临界循环，CO₂可以用于汽车空调和热泵领域，系统性能系数与常规空调相比仍然具有竞争力。
C0₂作为地球生物圈内的天然物质之一，它产量丰富，价格低廉，方便得到。其臭氧消耗潜能值（ODP）=0，全球变暖潜能值（GWP）=1，而目前作为推荐的替代工质氢氟烃（HFCs）及其混合物的GWP比CO₂高1000~2000倍，在这一点上CO₂具有明显的优势。CO₂与水混合时呈弱酸性，会腐蚀碳钢等普通金属，但不腐蚀不锈钢和铜类金属。CO₂中碳元素已经处于最高化合价，即使在高温下也不会分解产生有害气体，具有非常稳定的化学性质。C02的黏度很低，0℃时其饱和液体的运动黏度只有氨的5.2%，这样可以提高它的流速，但压降不会太大。CO₂的热导率高，而且液体密度和蒸气密度的比值小，节流后各回路间制冷剂的分配比较均匀，可改善传热效果，进一步减小部件和系统的尺寸和质量。CO₂的物性参数以及它与其他常规制冷剂的性能比较见表2-1。
CO₂的临界温度为31.1℃，接近于环境温度，根据循环的外部条件可以实现亚临界循环、跨临界循环和超临界循环三种循环方式，其中CO₂超临界循环与普通的蒸气压缩式制冷完全不同，工质的循环过程没有相变，制冷空调应用中不采用该循环方式。C0₂亚临界循环过程如图2-6中1→2→3→4→1所示，此时压缩机的吸气、排气压力都低于临界压力，蒸发温度、冷凝温度也低于临界温度，换热过程主要依靠潜热来完成。目前，C0₂亚临界循环主要用于低温冷冻设备所用复叠式制冷系统的低温级。CO₂跨临界循环的流程与普通的蒸气压缩式制冷循环略有不同，其循环过程如图2-6中的1→2→3→4→1所示。此时压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热过程在亚临界条件下进行。但是压缩机排气压力高于临界压力，工质在高压侧的换热过程通过显热交换来完成，这与普通的蒸气压缩式制冷循环冷凝过程完全不同，此时的高压换热器称为气体冷却器。
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由于跨临界循环具有鲜明的特点和特殊的应用前景，目前已成为CO₂制冷循环最为活跃的研究方向。在基本的CO₂跨临界循环的基础上，已发展出多种改进的CO₂跨临界循环，如双级压缩CO₂跨临界制冷循环、带膨胀机的CO₂跨临界制冷循环、带引射器的C0₂跨临界制冷循环、带引射器和经济器的C0₂跨临界制冷循环等。
