1992年，挪威科學家Lorentzen首次提出了CO2跨臨界循環理論，經過20年的發展，在汽車空調、冷凍冷藏、住宅熱水及供熱領域，CO2跨臨界循環的應用正受到越來越廣泛的重視。CO,2作為制冷劑曾有過重要貢獻，1850年，美國人提出了在蒸汽壓縮系統中使用CO2作為制冷劑;1869年左右，第一個CO2系統制造成功;1886年以后，CO2系統被廣泛使用，直到鹵代烴類制冷劑的出現，CO2逐漸被鹵代烴類制冷機取代。1974年，兩名美國科學家發表了他們著名的臭氧消耗假設，他們聲稱，含氯鹵代烴會破壞臭氧層，廣泛使用的這些鹵代烴可能會導致人類的環境問題，隨著鹵代烴類制冷劑的替代，越來越多的人重新關注使用天然物質，如CO2 NH3等天然制冷劑，利用CO2作為制冷劑，可在許多應用中提供一個安全的、經濟的和成本低且有效的“自然”解決方案。CO2作為低溫制冷循環工質有很多優勢，如設備和管路尺寸較小、換熱效率高和沒有腐蝕等，即使處在低溫下，CO2度也非常小，用于低溫制冷循環系統有著很好的發展前景。

由于CO2的臨界溫度(31. 1℃)低于通常空調和熱泵系統中的排氣溫度，目前空調、熱泵熱水器等設備若采用CO2作為制冷劑，基本上都采用跨臨界制冷循環方式。循環的放熱過程發生在臨界壓力以上，而吸熱過程在臨界壓力以下。因此跨臨界循環最顯著的特點是:冷凝過程在氣體冷卻器的冷卻中，取代常規亞臨界循環的冷凝器，避免由于熱源溫度過高導致系統性能下降。在跨臨界區域的散熱壓力是獨立的，且研究表明存在一個最佳的散熱(冷卻)壓力，即有一個最大的COP。對于跨臨界CO2系統進行適當的優化和控制，就能得到最佳高壓壓力的相關參數。

CO2跨臨界循環仍屬于蒸汽壓縮式制冷循環，熱力計算與常規亞臨界循環完全相同，圖3-15表示基本單級CO2跨臨界循環原理及壓焓圖。