CO?常溫常壓下是氣態，在常溫一定壓力下可以凝結成液體（乃至固體），壓力撤銷后迅速蒸發（升華），帶走大量熱量，達到降溫的目的。作為制冷劑， C0?在19世紀末到20世紀二三十年代曾被使用過。但限于當時的技術水平，使用CO?的制冷系統能效低，設備很笨重，大多用于船舶。前國際制冷學會主席Lorentzen在1994年提出了CO?跨臨界循環理論，指出若采用跨臨界循環，CO?可以用于汽車空調和熱泵領域，系統性能系數與常規空調相比仍然具有競爭力。
C0?作為地球生物圈內的天然物質之一，它產量豐富，價格低廉，方便得到。其臭氧消耗潛能值（ODP）=0，全球變暖潛能值（GWP）=1，而目前作為推薦的替代工質氫氟烴（HFCs）及其混合物的GWP比CO?高1000~2000倍，在這一點上CO?具有明顯的優勢。CO?與水混合時呈弱酸性，會腐蝕碳鋼等普通金屬，但不腐蝕不銹鋼和銅類金屬。CO?中碳元素已經處于最高化合價，即使在高溫下也不會分解產生有害氣體，具有非常穩定的化學性質。C02的黏度很低，0℃時其飽和液體的運動黏度只有氨的5.2%，這樣可以提高它的流速，但壓降不會太大。CO?的熱導率高，而且液體密度和蒸氣密度的比值小，節流后各回路間制冷劑的分配比較均勻，可改善傳熱效果，進一步減小部件和系統的尺寸和質量。CO?的物性參數以及它與其他常規制冷劑的性能比較見表2-1。
CO?的臨界溫度為31.1℃，接近于環境溫度，根據循環的外部條件可以實現亞臨界循環、跨臨界循環和超臨界循環三種循環方式，其中CO?超臨界循環與普通的蒸氣壓縮式制冷完全不同，工質的循環過程沒有相變，制冷空調應用中不采用該循環方式。C0?亞臨界循環過程如圖2-6中1→2→3→4→1所示，此時壓縮機的吸氣、排氣壓力都低于臨界壓力，蒸發溫度、冷凝溫度也低于臨界溫度，換熱過程主要依靠潛熱來完成。目前，C0?亞臨界循環主要用于低溫冷凍設備所用復疊式制冷系統的低溫級。CO?跨臨界循環的流程與普通的蒸氣壓縮式制冷循環略有不同，其循環過程如圖2-6中的1→2→3→4→1所示。此時壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發溫度也低于臨界溫度，循環的吸熱過程在亞臨界條件下進行。但是壓縮機排氣壓力高于臨界壓力，工質在高壓側的換熱過程通過顯熱交換來完成，這與普通的蒸氣壓縮式制冷循環冷凝過程完全不同，此時的高壓換熱器稱為氣體冷卻器。
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由于跨臨界循環具有鮮明的特點和特殊的應用前景，目前已成為CO?制冷循環最為活躍的研究方向。在基本的CO?跨臨界循環的基礎上，已發展出多種改進的CO?跨臨界循環，如雙級壓縮CO?跨臨界制冷循環、帶膨脹機的CO?跨臨界制冷循環、帶引射器的C0?跨臨界制冷循環、帶引射器和經濟器的C0?跨臨界制冷循環等。
