热电制冷、制热器 本发明为一种新型的热电制冷、制热器，它可作为一种冷源或热源，还可作为温差发电的热电堆。在作为冷源或热源使用的时候，可以开发出空调器、电冰箱、电烤箱之类的产品；作为温差发电使用时，是一种很好的直流电源。
塞贝克效应是温差发电的理论基础，帕尔帖效应是热电制冷、制热的理论基础。这两种效应互为逆效应，存在着内在联系，即同一支热电偶，如果塞贝克效应显著，反过来帕尔帖效应也显著。这两种效应都离不开由最基本的热电元件组成的热电偶。目前优值系数最高的热电元件当数P型半导体材料和N型半导体材料，即组成热电偶两个电偶臂的热电元件一个由P型半导体材料构成，另一个由N型半导体材料构成。所以热电制冷、制热习惯上又称为半导体制冷、制热。由于单个热电偶的制冷、制热量很小，人们把多个热电偶用串、并联的方式连接起来，组成“热电堆”，以期获得较大的温差电动势或较大的制冷、制热量。在日常生活中，制热是较为容易地，而制冷要困难得多，所以人们更为关注制冷技术。
与传统的采用压缩机、以氟利昂或溴化锂为制冷剂的制冷方法比较，热电制冷具有较多的优点：无需压缩机、制冷剂，无机械运动，无噪声，结构简单；只需改变直流供电电流的方向，便能方便地实现制冷、制热转换；调节直流供电电压的大小，便能方便地调节制冷、制热量等等。但也存在着制冷效率偏低、能耗高的缺点。特别是热电偶通过直流电时，在其一个结点上吸热，成为冷端，而在另一个结点上放热，成为热端。即吸热放热是同时存在的。若要求制冷，则必须将热端产生的热量采取措施散发出去，才能维持制冷。通常采用循环水冷却方法，要有冷却水管道和泵，这加大了制冷器的体积和制造成本，限制了热电制冷的应用。
本发明的目的就是要解决热电制冷、制热冷热分离的问题，提高热电制冷、制热的效率。
本发明采用“电荷积累-释放”的办法，也就是发明人所称的“加速原理”：在需要制冷的时候，使得热电堆的产热量很小，与产冷量相比可以忽略；在需要制热的时候，使得热电堆的产冷量很小，与产热量相比可以忽略；在作为温差发电的时候，使输出的温差电动势大增。还可以将两个热电堆配合起来使用，其中一个热电堆用于制冷或制热，另一个热电堆利用前一个热电堆产生的温差进行发电，供小型的直流风扇使用，将冷气或热气吹出来，调节小范围空间的温度。
这样，就解决了热电制冷技术中热电堆产生的热量难于排除的难题。余热产生的温差转化为电能，更能吸收余热，增大产冷量，提高制冷系数，也降低了电能消耗。作为温差发电用的热电堆还能根据温差的大小自动改变输出电动势的大小，自动调节负载风扇的转速，一举多得。尤其是节省了一套散热装置，大大降低了成本，使空调器大面积进入工薪家庭成为可能。
什么是“电荷积累、释放”亦即发明人称的“加速原理”呢？这要从温差电动势说起。任何两种不同的金属材料作电偶臂构成热电偶，在其两个结点存在温差的情况下都能产生温差电动势，只不过用金属材料制成的热电偶产生的温差电动势很小，仅用于温度测量。用一对P型、N型半导体材料构成热电偶，同样大小的温差，产生的温差电动势大得多，这样才具备了热电制冷、制热、温差发电的实用价值。各国科学家都在努力寻求能产生更大温差电动势，优值系数更大的热电材料，但从六十年代至今并无多大进展。从微观的角度来看，温差电动势(又称为塞贝克电动势)E是由体积电动势(又称为汤姆逊电动势)EV和接触电动势(又称为帕尔帖电动势)EC两部分迭加而成。
先说体积电动势EV，对于N型半导体材料，在其两端具有一定的温度差△T，设冷端温度为TC，热端温度为TC+△T，参见图1。热端的温度高激发出更多的多数载流子即电子，使热端的电子浓度增大，由于浓度差电子向冷端扩散，这样冷端带负电而热端带正电，并在N型材料的内部建立起一个静电场，该电场的方向由热端指向冷端，并将阻止电子无止境地向冷端扩散，而有助子电子从冷端向热端漂移。达到动态平衡时，热端和冷端之间产生一个电位差，方向由热端指向冷端。体积电动热EVN与这个电位差大小相等方向相反，其方向由冷端指向热端。
对于P型半导休材料，其热端空穴浓度高，由于浓度差空穴扩散到冷端，使冷端带正电热端带负电，达到动态平衡时，体积电动势EVP的方向由热端指向冷端。参见图2，不论N型材料还是P型材料，在有温差的情况下，其端面都有正负电荷的积累。
再说接触电动势EC，将P型材料和N型材料直接欧姆接触，也可以是通过导电金属接触，参见图3，图3是P、N材料通过导电铜片互相接触的情况。N型材料电子浓度高，P型材料的空穴浓度高，由于浓度差引起N型材料中的电子向P型材料扩散，P型材料中的空穴向N型材料扩散，也在其内部建立起一个静电场，阻止电子、空穴无休止地扩散。当达到动态平衡时，N型、P型材料上分别有正负电荷的积累，形成一个接触电位差，其方向由N型材料指向P型材料。接触电动势EC与这个接触电位差大小相等方向相反，由P型材料指向N型材料。
温差电动势是体积电动势和接触电动势的迭加，若能人为地增强体积电动势和接触电动势，即是人为地增强温差电动势，就能够得到更强劲的塞贝克效应和帕尔帖效应。作温差发电时，能得到更高的温差电动势输出，作为制冷或制热时，能大大地提高制冷或制热效率，得到更大的产冷量或产热量。这就是说，在热电偶的冷结点上，人为地增强N型材料上正电荷的积累和P型材料上负电荷的积累，而在热电偶的热结点上，人为地削弱N型材料上正电荷的积累和P型材料上负电荷的积累，将会使帕尔帖效应中的吸热大大地高于放热，有利于制冷。反之，在热电偶的冷结点上，人为地削弱N型材料上正电荷的积累和P型材料上负电荷的积累；而在热电偶的热结点上，人为地增强N型材料上正电荷的积累和P型材料上负电荷的积累，将会使帕尔帖效应中的放热大大地高于吸热，有利于制热。
实践证明，增大电偶臂的体积和端面积，能够增大电荷的积累，有利于提高温差电动势。也就是说，作为电偶臂的P型、N型半导体材料的体积越大越好，两端的端面积越大越好，但这种做法将导致热电堆成本上升，能耗相应增大。若要成百上千倍地提高温差电动势，靠增大体积面积的方法就行不通。
利用电容器充电后储存电荷的特性，将电容器与热电偶的电偶臂并联起来，可以人为地造成增强或削弱正负电荷积累的效果，从而增强或减弱帕尔贴效应。
参见图4，在热电偶P型N型材料的电偶臂上分别并联上电容器C1、和C2，P型、N型电偶臂的上端面电极用铜片连接，P型、N型电偶臂的下端面电极与直流电源相连接，其中P型电偶臂接电源正极，N型电偶臂接电源负极。根据帕尔贴效应原理，这个热电偶的上端面是放热的，下端面是吸热的。电容C1充电的结果下正上负，电容C2充电的结果是上正下负，造成放热端面P型电偶臂上增强了负电荷的积累，在N型电偶臂上增强了正电荷的积累，这样就增强了帕尔效应，使放出的热量大增；而在吸热端面，却削弱了N型电偶臂上正电荷的积累和P型电偶臂上负电荷的积累，减弱了帕尔贴效应，使吸热量减少。总的效果是大大地有利于制热，也就是前文叙述的产冷量和产热相比可以忽略。
对于热电制冷，就不象热电制热那样把电容器与电偶臂并联起来就行那样简单，必须有一套触点转换装置，在电容器充电之后，将电容器的两个引脚颠倒向电偶臂放电即颠倒极性放电才能有利制冷。这样还需要对触点转换装置进行顺序控制。通常触点也不应是机械式触点。图5是借用机械式触点的画法来说明原理。
在图5中，电容器C1和C2各通过一个触点桥分别与P型和N型电偶臂并联。这些触点在未加控制信号时都处于常开状态。N型电偶臂的下端与直流电源的正极相连，P型电偶臂的下端与直流电源的负极相连。这样连接后热电偶的上端面吸热，下端面放热
在某一时刻，使触点桥的A1、A4和B1、B4四个触点同时闭合，对电容C1和C2充电，C1充电结果是左正右负，C2充电结果是左负右正，充电完毕，使A1、A4和B1、B4四个触点恢复断开状态。然后将A2、A3和B2、B3四个触点同时闭合，即是颠倒极性放电，这时在上端面即吸热端面上，N型电偶臂上增加了正电荷积累，P型端面上增加了负电荷积累，增强了帕尔帖效应，使吸热大增；而在下端面即放热端面上，N型电偶臂上削弱了正电荷积累，P型电偶臂上削弱了负电荷的积累，减弱了帕尔贴效应，使放出的热量更少。总的结果是大大地有利制冷，也就是前文所述的产热量与产冷量相比可以忽略。电容C1和C2放完电后，将A2、A3和B2、B3四个触点恢复成断开状态。随后又将A1、A4和B1、B4四个触点同时闭合，再次对电容C1和C2充电……再次颠倒极性放电，如此循环下去。
小结一下本发明的要点，第一、本发明热电制冷、制热器，它用了两个改进后的热电堆，其中第一个热电堆产生帕尔帖热，用来制冷或制热。这个热电堆产生帕尔帖热造成了温差，供第二个热电堆产生电能，带动风扇运转。第二，在构成热电堆的各个热电偶的电偶臂上并联电容器，利用电容器充电积累的正负电荷，人为地增强或削弱热电偶冷、热结点两边的正负电荷的积累，使帕尔帖效应得到增强或减弱，达到增强热电制冷或制热效果的目的。在制热时，只需将电容器并联到各个热电偶的电偶臂即可；在制冷时，则需要不断地对电容器进行充电→颠到极性放电→再充电→再颠倒极性放电的循环处理。