制冷占全球电力消耗的20%，而普遍使用的蒸汽压缩式制冷技术依赖高全球变暖潜值的制冷剂，加剧了全球变暖。2012年提出的弹热冷却技术采用形状记忆合金相变，具备固态、无温室气体的优势。经过十年发展，相关原型已在热交换设计和材料级联等方面取得进展，但其热源温度始终高于零摄氏度，限制了在冷冻领域的应用，而该领域市场规模与空调相当。

现有弹热装置冷却性能受限，主要由于形状记忆合金在低温下熵变不足、超弹性下降。为确保良好弹热效应，装置通常需在高于材料奥氏体终温度的热源下运行，而目前商用形状记忆合金的该温度多在0℃以上。例如，已有原型使用相变温度为9.1°C、-7.3°C等材料，实现的最低制冷温度仍高于0°C。相比之下，磁热制冷剂相变温度可低至-243°C，并已实现-138°C的制冷记录。因此，开发具有高熵变和良好超弹性的低温形状记忆合金，是推动弹热技术应用于冷冻领域的关键。

低转变温度形状记忆合金材料：首次采用高镍含量（51.2 at%）的NiTi合金，将其奥氏体结束温度降至-20.8°C，远低于传统弹性热材料（通常在0°C以上），解决了弹性热材料在低温下熵变小、超弹性差的关键瓶颈。

抗冻传热流体的系统集成：使用30wt%氯化钙水溶液作为传热流体，其冰点低于-20°C，在低温下仍保持良好流动性。避免了低温下流体结冰导致的传热失效，同时该流体与NiTi合金表面具有良好的润湿性，降低了界面热阻，提升了传热效率。

多级串联再生式器件结构设计：构建了八级管状NiTi单元串联的再生器，结合压缩式布雷顿循环与主动再生策略，优化了温度梯度与热传递路径。实现了36 K的温差，冷端温度最低达-12°C，首次将弹性热制冷推向零下摄氏度领域。

零下制冷性能的实际验证：在真实环境中实现了-4°C的稳定室内降温，并在2小时内成功冻结20 ml蒸馏水，验证了弹性热技术在零下制冷场景的可行性。

图1.零下摄氏弹热冷却装置的示意图及性能比较

图2.所选NiTi合金和换热流体的机械、显微和化学性能

图3.再生弹热装置的组装及其工作原理

图4.零下摄氏弹热冷却装置的实际应用

这项研究果表明，弹性热制冷技术已实现从“零上空调”向“零下冷冻”的关键跨越，其核心启示在于：通过材料—器件—系统—流体的协同创新，一条不依赖高GWP制冷剂的绿色固态制冷路径已具备实际可行性。具体而言，研究证实：（1）低转变温度形状记忆合金的开发可有效拓展弹性热效应的低温工作窗口，突破材料本征性能限制；（2）抗冻传热流体与再生式多级结构的结合，能够实现稳定的低温热输运与温度放大；（3）在器件层面，压缩式管状单元与主动再生循环的集成，可达成‑12°C的冷端温度与36 K的温差，为固态冷冻提供了可扩展的技术原型；（4）该技术不仅具备替代现有高GWP制冷剂的潜力，更指向了一个无氟、低能耗、高紧凑性的冷冻技术未来，尤其适用于分布式、移动式或对环保要求严苛的冷冻场景，为实现冷冻行业的深度脱碳提供了崭新的技术选项。