Han utførte grunnleggende forskningsarbeider innenfor flere kjøletekniske fagområder, herunder arbeider av sentral betydning for utviklingen av norsk fiskeriteknologi. Senere er han særlig kjent for sin promotering av naturlige kuldemedier, spesielt ammoniakk og karbondioksid. Han ble i 1977 æresdoktor ved Det tekniske universitetet i Delft, Nederland for sin internasjonale innsats innen kjøleteknikk. Blant annet bekledde han viktige posisjoner ved (IIR) (Paris) og hadde et mangeårig samarbeid med Universitetet i Padova, Italia, der han jobbet i perioder. Lorentzen har fått en serie med vitenskapelige konferanser oppkalt etter seg, og den 14. konferansen, , ble lagt til Kyoto i 2020.