Mit dem zunehmenden Umweltbewusstsein der internationalen Gemeinschaft erhält die Zerstörung der Ozonschicht und das Treibhauseffektproblem weiterhin breite Aufmerksamkeit. Immer mehr Wissenschaftler konzentrieren sich auf umweltfreundliche Kältemittel, die aufgrund ihrer einfachen Verfügbarkeit, Sicherheit, guten Wärmeübertragungs- und Strömungseigenschaften von Kohlendioxid (CO2) geschätzt werden. In diesem Artikel wird der Forschungsstand von Klein-Phasen-CO2-Expansionsmaschinen analysiert und zusammengefasst. Es wurde festgestellt, dass der Austausch des Drosselventils durch eine CO2-Expansionsmaschine im Kreislauf die Kälteleistung des Systems effektiv verbessern kann. Nach Berechnungen ergeben sich die Kälte- und Heizleistung von Kreisläufen mit überkritischen CO2-Expansionsmaschinen um 6,9 % bzw. 4,6 % höher als bei R134a-Kreisläufen und um 25,76 % bzw. 16,17 % höher als bei Kreisläufen mit Drosselventil. Je höher der isentrope Wirkungsgrad der CO2-Expansionsmaschine ist, desto höher ist die Kühl- und Heizleistung des Systems. Wenn der isentrope Wirkungsgrad der CO2-Expansionsmaschine größer als 32 % ist, ist die Leistung des Systems mit CO2-Expansionsmaschine besser als die Leistung des Systems mit Rückhitzekreislauf. Unterschiedliche CO2-Expansionsmaschinen weisen aufgrund ihrer unterschiedlichen Strukturen unterschiedliche Wirkungsgrade, Leckagen und Reibungsverluste auf. Kolben- und Rotationsmaschinen haben einfache Strukturen, aber auch hohe Leckagen. Gleitschieber-, Rotationsblatt- und Wirbelmaschinen haben eine deutlich höhere Effizienz, aber ihre Strukturen sind komplexer, die Herstellung aufwendiger und die Produktionskosten höher. Gleichzeitig werden Lösungen für einige aktuelle Probleme vorgeschlagen, wie z. B. die Vernachlässigung von Leckagen und Reibungsverlusten durch eine angemessene Gestaltung, die Bereitstellung von Verdichtungsleistungen für Kompressoren, die Zugabe anderer Gase während des Expansionsprozesses und die Gestaltung von einstellbaren Expansionsverhältnissen für CO2-Expansionsmaschinen. Derzeit konzentriert sich die Forschung an CO2-Expansionsmaschinen hauptsächlich auf Laborexperimente und wird in der Praxis nur wenig angewendet. Daher sollten in Zukunft Experimente und Theorie weiter kombiniert werden, um weitere Forschung zu Effizienzsteigerungen von CO2-Expansionsmaschinen und zur Entwicklung von Schlüsselkomponententechnologien betrieben werden.

Überkritischer Kreislauf; Expansionsmaschine; Expansionsleistung; Isentroper Wirkungsgrad; Leckage; CO2