热电制冷器，也被称为帕尔贴制冷器，是一种以半导体材料为基础，可以用作小型热泵的电子元件。通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端，此时，制冷器一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。因此，热电制冷器还可以用于精确的温度控制。
我们首先以一个典型的单级热电制冷器为例。将这个单级热电制冷器放置在散热器上，使其保持在室温。然后将其链接在一个适当的电流上或者直流电源上，制冷器的冷端温度会降到大约-40℃。此时，制冷器上将达到相对热平和状态，而且制冷器两端将达到最大的温差(DTmax)。如果向冷端不断输入热量，冷端温度会逐渐增加，直到与热端相同。这一时刻，制冷器会达到最大制冷量(Qmax)。
一、基本内容
热电制冷的机理完全不同于蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷。它是以温差电现象为基础的制冷方法。
用两种不同的金属丝相互连接在一起，形成一个闭合电路，把两个连接点分别放在温度不同的两处，就会在两个连接点之间产生一个电势差——接触电动势。同时闭合电路中就有电流通过。
反过来，将两种不同的金属线相互连接形成的闭合线路已通直流电，会产生两个不同温度的连接点。
只要通以直流电，就会是其中一个连接点变热，另一个连接点变冷。这就是帕尔帖效应，亦称温差电现象。生产冷端就是我们需要的制冷。
1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷;这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。这就是热电制冷的依据。
半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。右图示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。此时，一个接点变热，另一个接点变冷;如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。
热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。
热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应：傅立叶(Fourier)效应、焦耳(Joule)效应、塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。
二、热电制冷特点
热电制冷的特点
(1)结构简单
整个制冷器由热电堆和导线连接而成，没有任何机械运动部件，因而无噪声、无摩擦、可靠性高、寿命长，而且维修方便。
(2)体积小
特别在小体积、小负荷的用冷场合，使用热电制冷有其独到的好处。
(3)启动快、控制灵活
只要接通电源，即可迅速制冷。冷却速度和制冷温度都可以通过调节工作电流简单而方便池实现。
(4)操作具有可逆性
既可以用来制冷，又可以改变电流方向用于制热，因而可以用来制做高于室温到低于室温范围内的和恒温器。
(5)主要缺点是效率低，耗电多
由于缺少更好的半导体材料.限制了它的发展。另外，半导体电堆的元件价格很高。综合效率和价格比的因素：在大容量情况下，势电制冷的效率不及蒸气压缩式制冷、价格昂贵。但是蒸气压缩式制冷机的效率随容量的减小而下降，而热电制冷的效率与容量大小无关：且压缩机也不可能做得过于小.而热电制冷小到可以仅由一对基本电偶组成。产冷量在20w以下，温差不超过;50度时、热电制冷的效车高于压缩式制冷。
三、热电制冷的应用
需要微型制冷的场合，热电制冷会发挥很好的作用。它在国防、科研、医疗卫生等领域广泛地用作电子器件、仪表的冷却器，或用在低温测仪、器械中，或制作小型恒温器等。
1.热电制冷在电子元件上的应用
使用条件严格、对温度反应敏感的电子元器件，必须保证它们在低温或恒定的温度条件下工作，才能发挥其性能。例如：红外探测器需要在低温下才能有高灵敏度和探测率。硫化铅、硒化铅红外控测器在-10℃时的响应比20℃时的响应要高出几倍;在-78℃时，其探测率可以提高一个数量级。为此用途的热电制冷器，一种是由4级电堆组成，在真空中输入功率10w，达到-95℃的低温，而制冷器本身仅有750g重，连散热器、电风扇加在一起的体积也只有。另一种是二级电堆组成，耗电6w，冷却硫化铅红外探测器，使其讯噪比提高许多倍。
许多电子元件要求在恒温条件下工作，例如电阻、电容、电感、晶体管、石英晶体管等。用热电制冷方法制做恒温器，为它们提供恒温器的温度控制简单、精确。用热敏电阻作感温件，它们的温控精度可达±0.05℃。
在标准电器(电池、电容)标定测量中，需要超级恒温槽。采用热电制冷制作，其恒温控制精度可达0.005℃。
图1 石英晶体振荡器恒温器
石英晶体振荡器用的热电恒温器在外界温度变化幅度为45~-15℃时，工作室内温度可以稳定在10±0.5℃。所配备的热电堆功率30w;电流3A。恒温工作室容积为450×138(mm)，整个外形尺寸为：144×56×56(mm)。其结构如图1所示。
多路通讯机用的恒温器结构示意图如图2所示。它使用的热电制冷器工作电流为3A;功率为5w;实际效率为36%。采用空气自然对流的散热方式，散热片面。当外界环境温度在-5~45℃之间变化时，恒温室内温度可以稳定在25±1℃。
图2 多路通讯机用恒温器
原子物理、天文学等科技领域中所广泛使用的光学倍增管，其暗电流、噪声、灵敏度等参数主要取决于光电阴极的温度。用二级热电制冷器为它提供低温，可以有效地降低其噪声和暗电流，提高灵敏度。
又如，美国的MI4010型4级微型并导体制冷器，用在手提式热观察仪上。热端温度300K时，冷端温度195K，制冷量50mw ，消耗电功率7.2w。
2.热电制冷在工业上的应用
①高真空技术
为了提供极高的真空度，需要在扩散泵上加冷阱。用热电制冷的冷阱与用液态气体(如液态空气、液氮、……)制冷的冷阱相比，前者可以将真空度提高约1个数量级。
②工业气体含水量的测定与控制
冶金、化工、机械制造工业中，常常需要准确地测定气体的湿度。测定装置中的露点湿度计是很关键的部件。用热电制冷元件制作的露点湿度计具有结构简单、精度高的优点。图3是69式露点仪的示意图。它可以测至-90℃的露点温度。其工作过程如下：被测气体内入口流入零工作室，开动仪器，使镜面开始降温，首先调节光栅 ,使硅光池 的光电压差等于零，这时表示没有信号输出。在整个过程中镜面温度由露点温度显示器Ⅶ自动追踪显示。当温度降以一定程度，镜面出现露珠，此时硅光电池 的受光显著减弱，A与通过I的比较，有信号输出。这个信号经过放大及一系列过程去带动继电器Ⅲ，使指示灯Ⅶ发出指示。同时，制冷电堆的电源停止供电，温度跟踪也随之停止。这时露点温度显示器Ⅶ显示出的值即为露点温度。
③测量仪和分析仪
热电偶温度测量装置中必须使用零点仪。一般多用冰水混合物作零点，使用起来不够方便。可以用热电制冷器做成人工零点仪，使测量方便可靠。图4示出半导体零电仪的一种结构示意图。
图4 半导体零点仪
又譬如，在石油、化工工业中需要测量各种冷凝液、油品的物理性质，比如石油倾点、石油凝点、柴油的冷、滤点等，在这些测量仪和分析仪中也用到热电制冷。
精密机床的油箱冷却也可以用热电制冷提供冷源。
3.热电制冷在畜牧业和医学上的应用
在畜牧业中热电制冷主要用于储存良种畜的精液。动物的精子在室温下很快会死亡;在0℃时可存活几天;在-78℃时则可存活几年。因而用热电制冷的冷藏瓶在低温下保存和输送动物精液十分方便。
热电制冷在医学上的应用更为广泛。例如：在外科小手术中，用热电制冷器对浅表的腔壁很薄的小脓肿施行冷冻麻醉，然后可以简单、安全地施行切开排脓手术。又如冷冻止血、冷冻切除白内障等。组织切片中用热电制冷器，设备简单、小巧、降温快，大大缩短制片时间，并能提高制片质量。热电制冷器还是低温手术的冷却设备。用热电制冷器做成降温帽用于为患者头部降温。药用热电冷藏箱，容积在10~20L时，经济性比机械式制冷好，用于保存血桨、疫苗、血清、药品等。生物试验用的小型恒温槽也是采用热电制冷方式。
4.其它方面的应用
在电源充足，运行经济性不作为首要考虑问题的应用场合，取热电制冷可靠、简单、无噪声、无振动、无工质泄漏等长处，用以作空调或冷却装置。如核潜艇、卫星站、飞机、地下建筑的空调器。
