熱電制冷是利用珀爾帖效應的原理進行制冷的，其制冷效果主要取決于兩種電偶對材料的熱電勢。由于半導體材料具有較高的熱電勢，因此，可以用它來做成小型的熱電制冷器。由于熱電制冷器不需要介質，又無機械運動部件，可靠性高，并可以逆向運轉，在電子設備或電子元器件的熱控制方面得到了比較廣泛的應用。一、熱電制冷的基本原理當任何兩種不同的導體組成一電偶對，并通以直流電時，在電偶的相應接頭處就會發生吸熱和放熱現象。但這種效應在金屬中很弱，而在半導體中則比較顯著。熱電制冷的電偶是利用特制的N型和P型半導體用銅連接片焊接而成的。其結構原理如圖1所示，圖2是實際結構圖。當直流電從N型流向P型時，則在2、3端的銅連接片上產生吸熱現象（稱冷端），而在1、4端的銅連接片上產生放熱現象（稱熱端）。如果電流方向反過來流，則冷、熱端互換。

圖1 熱電制冷原理圖

圖2 熱電制冷結構圖熱電制冷的原理可用載流子（電子或空穴）流過節點時勢能的變化來解釋。由于載流子在金屬和半導體中的勢能大小是不同的，所以載流子在流過節點時，必然引起能量的傳遞；當載流子由較低的勢能變到較高的勢能時，必須吸收外界的能量；反之，必然要放出能量。這是研究熱電制冷的基本出發點。熱電制冷的吸熱和放熱是由載流子流過節點時，勢能的變化而引起的能量傳遞過程。上部的金屬片被冷卻下來，成為冷端，而下部兩個連接片均放熱，成為熱端。這就是熱電制冷的本質。溫差電效應由同時發生的五種不同效應組成。其中塞貝克、珀爾帖和湯姆遜三種效應表明電和熱能的相互轉換是直接可逆的，而焦耳和傅里葉效應是熱的不可逆效應。（1）塞貝克效應當兩種不同導體連接在一起的一個節點加熱，而另一個節點的溫度保持不變，這時就可能產生電動勢。其電壓與節點間的溫差成正比，即

式中 α——某一對材料的塞貝克系數（μV／℃）；Δt——兩節點之間的溫差（℃）。（2）珀爾帖效應當直流電通過兩種不同的材料時，節點上將吸熱或放熱，節點上的熱量與電流成正比

式中 π——珀爾帖系數（V）；I——電流（A）。塞貝克系數和帕爾帖系數之間的關系為式中 Tc——冷端溫度（℃）；

1α、α2——材料1和2的塞貝克系數（μV／℃）。因此，兩種不同材料節點上吸收或放出的熱量為

（3）湯姆遜效應當電流流過有溫度梯度的導體時，在導體和周圍環境之間將進行能量的交換，但由于其換熱在熱電制冷系統中影響較小，故可以忽略不計。（4）焦爾效應導體中通過電流時所產生的熱量等于導體電阻R和電流I平方的乘積，即

（5）傅里葉效應經過均勻介質沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積 A 和該方向的溫差Δt成正比，即

式中 k——導熱系數（W／（m·℃））；δ——傳熱方向上材料的厚度（m）。在熱電制冷中，由于存在傅里葉效應和焦耳效應，使熱量從熱節點流向冷節點。二、熱電制冷器的結構熱電制冷器是由熱電（對）堆、冷板和散熱器組成。冷板裝在電堆的冷端。為了加強熱交換，冷板可有不同形式，如肋片式、平板式等。散熱器裝在電堆的熱端，散熱形式可有強迫風冷、強迫水冷和自然冷卻等。圖3所示為熱電制冷器的結構示意圖。無論采用哪種冷卻形式，都必須使冷板、制冷電偶堆和散熱器三者之間的連接滿足導熱和電絕緣的要求。

圖3制冷器整體組裝有三種方法：黏結法、機械固定法和焊接法。黏結法：一般用環氧樹脂黏結。黏結時加一定的壓力，使環氧樹脂黏結層很薄，可減少熱阻。固化后在60～70℃下烘烤。這種方法的缺點是黏結層不易做得很薄，因而增加了熱阻。同時，由于環氧樹脂與電偶堆熱膨脹系數不同，長期冷熱交替工作會使樹脂黏結層松脫，熱量散不出去，燒壞電偶堆。機械固定法：用螺釘將電偶堆、散熱器及冷板連在一起。此法在使用維修時較方便，如果在各活動接觸面上涂以導熱硅脂等，可以提高其導熱性能。為了避免從熱端經螺釘向冷端傳熱，螺釘應套膠木套或用尼龍螺釘。焊接法：由于電偶堆與散熱器及冷板之間要電絕緣，需采用一種金屬化的陶瓷，而且這種陶瓷片的大小與銅連接片相同，并將其兩面燒結上金屬（如銀）層。金屬化陶瓷片一面與銅連接片焊接，再焊上半導體元件，另一方面與散熱器或冷板相焊接。此方法電絕緣性能好，但增加了金屬化陶瓷的工藝。熱電制冷電堆是制冷器件的主要組成部分。其元件的尺寸、電偶對數及電堆結構形式（如疏密度）等，都必須經過設計計算和實驗才能最后確定。通常一級制冷最大只能得到大約50℃的溫差，為了得到較大溫差和深度冷卻，可采用多級熱電制冷。這種多級制冷法在電路連接上有串聯、并聯和混聯三種。串聯型如圖4所示，顯然每一級工作電流相同，級與級之間必須有良好的電絕緣。并聯型多級制冷電偶堆如圖5所示，其工作特點是工作總電流較大，但級間不必電絕緣。混聯型如圖6所示。

圖4 串聯型

圖5并聯型

圖6混聯型圖7是一種采用薄膜技術的熱電制冷器件，其材料為B i2Te3，這種制冷器的優點是：它的冷卻功率密度隨熱電薄膜厚度的減小而急劇增加。當薄膜厚度在20～50μm時，其冷卻的熱流密度可超過100 2W／cm。因此，利用這種薄膜器件很容易實現熱電制冷器的小型化和微小型化。

圖7三、熱電制冷在電子設備中的應用熱電制冷器是借助于電子（或空穴）在運動中直接傳送能量來實現制冷的，因此與機械制冷相比具有如下優點：① 無機械轉動部分，因而無噪聲、無振動、維修方便、可靠性高；② 不需要制冷劑；③ 制冷量和冷卻速度可通過改變電流的大小隨意調節，而且改變電流的方向還可以作為加熱源，因此很容易實現自動調節，所以適用于作恒溫器；④ 體積小、質量輕，制冷量可以任意選擇，特別適合于各種小型化元器件、儀器儀表的冷卻。鑒于熱電制冷有上述特點，所以在電子設備的冷卻技術中得到了比較廣泛的應用。特別是電子計算機，多路通信機，雷達設備等的恒溫均宜采用熱電制冷來完成。例如，多路通信機中的某恒溫器，在環境溫度從－5～＋45℃變化時，恒溫室的溫度可穩定在25±1℃，制冷器的工作電流為3A、耗電為5W。若采用自然對流散熱方式，其結構如圖8（a）所示。又如，用半導體制冷的石英晶體振蕩器的恒溫器，在環境溫度為－15～＋45℃變化時，工作室內的溫度可穩定在10±0．5℃范圍內；而其工作電流為3A，耗電為30W。恒溫工作室的結構如圖8（b）所示。

圖8恒溫器熱電制冷的一個很大的缺點就是本身為了達到制冷的目的，需消耗很大的功率。圖9是用熱電制冷組件作為制冷元件的熱電制冷阱。阱體由鋁材制成，阱體的四周用聚氨酯材料保溫，制冷組件的熱端用水冷散熱器。

圖9熱電制冷阱結構示意圖這種結構的控溫精度高、控溫范圍廣、性能可靠、無噪聲、無污染。經過適當的改進也可以作為恒溫槽和低溫存儲器使用。
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