我国能源形势的严峻已成为不争的事实，为了解决我国的能源问题，关键在于节能，节约优先，效率为本。针对制冷行业，进一步提高循环效率是关键。由于膨胀节流过程节能潜力巨大，而且作为制冷与热泵系统中的研究薄弱环节，本文主要对膨胀部件进行研究，通过理论分析、数值计算和试验研究相结合，从耗散型节流装置孔板到回收型节流装置膨胀机开展研究。孔板是一种结构简单、造价低廉、并有一定控制性能的膨胀部件，可作为膨胀机在启动、非标工况下工作或故障应急的备用装置。本文对耗散型节流装置二级孔板进行了相关研究。提出了二级孔板的设计方法，并设计加工了孔板样板，通过试验对比分析了各样板的节流特性。二级孔板的设计重点在于第二级多孔孔板，主要设计思路为通过开孔率转化为相应尺寸标准孔板的设计。对各样板的试验结果表明，各级孔板孔径的变化对其节流特性的影响不同；二级孔板能够实现流量调节作用，其中以第二级孔板对流量的调节作用为主。多孔孔板的设计参数为多孔孔板的设计以及节流效应的试验提供了比较基础，其中，疏密度和开孔率是影响多孔孔板节流效应的主要因素。对于给出的二级孔板设计模型，第一级孔板的理论压降与试验值之间的相对误差在±15%以内；而第二级孔板的理论压降由于受到各种半经验公式的误差累积的影响，其与试验值之间的相对误差在±30%以内，有必要对模型进行修正。针对常规工质膨胀比较大的特点，设计了回收型节流装置双转子滚动活塞式膨胀机，分析了膨胀机的基本结构及工作过程，建立了膨胀机的不可逆损失模型。通过对膨胀机运动部件之间相对运动及各泄漏通道的分析，分别建立了膨胀机的流体泄漏模型与摩擦损失模型，并分析了润滑油含量对物性的影响以及不同泄漏间隙下膨胀机的泄漏损失情况。通过对泄漏模型与摩擦损失模型的分析与模拟计算，提出了减小膨胀机不可逆损失的有效方法。根据建立的膨胀机模型，对膨胀机在不同工况下的运行情况进行了模拟计算。结果表明，工质进口压力与干度对膨胀机效率的影响较大。在设计工况下膨胀机的理论效率为72.0%，理论输出功为4.87kW。而膨胀机转速为设计转速1500rpm，进口压力在1.0MPa至2.0MPa范围内变化时，其理论输出功在2.55~6.92kW之间，理论效率可以保持在63.4%~74.1%之间。讨论了膨胀相变过程中的亚稳平衡状态，定性分析了相变延迟现象对膨胀机性能的影响，探讨了改善相变延迟现象的方法，讨论了初始参数对膨胀相变过程的影响，并分析了快速降压过程中汽泡的成长情况。由于制冷剂在膨胀机内的膨胀相变过程为亚稳平衡态的相变，为打破亚稳平衡状态需要足够尺度的扰动，初始温度或压力较高时将有助于这一过程的进行。而相变延迟现象对膨胀机的影响存在一定阈值，只有相变延迟时间超过这一阈值时，膨胀过程才会受到比较明显的影响。对膨胀腔内的液体实现有效扰动，将有助于改善相变延迟现象的发生。一旦汽核形成，膨胀过程中压力的变化将成为促进其成长的动力，使相变过程快速进行。成功研制了双转子滚动活塞式膨胀机样机，并对其进行了试运转与试验测试。结果表明，膨胀机在两相进口条件下运转平稳，并输出一定的膨胀功；同时也发现，转子式膨胀机实现过冷液膨胀受到了一定的限制。其中膨胀机效率与回收功受进口工质干度的影响较大，基本随干度的增加呈增加趋势。同时，膨胀机的试验结果也验证了膨胀功的来源，主要以膨胀相变功为主。能实现膨胀机正常运转的进口工质干度最低为0.3。试验过程中随进口工质干度由0.3增加至0.7，实现的膨胀机名义效率由最低0.6%可增加至超过80%。膨胀机的转速集中在250~370rpm之间。回收的膨胀功在进口干度约0.7时约达到1200W，而当膨胀机进口气态工质比例更高时，将可以得到更多的膨胀功。说明膨胀机的设计有成功的一面，也存在许多没有预料到的地方，为进一步提高膨胀机回收功，提出了改进方案。