電子冷熱とは、ペルチェ素子を用いた電子的な冷却です。従来、冷やす仕組みにはヒートポンプ（コンプレッサー）が使われてきました。

これは冷媒をコンプレッサーで圧縮した後、減圧する際に温度が下がるのを利用したもので、仕組みは機械的なものです。コンプレッサーを用いたヒートポンプはエアコンや冷蔵庫など多くの場所で使われています。

一方、電子冷熱はペルチェ素子という半導体に電気を流すだけの、非常に単純な仕組みから成り立っています。さらに電流の向きを変えるだけで、加熱と冷却が切り替えられるのも大きな特徴です。

もちろんヒートポンプも減圧側ではなく圧縮側の熱を利用することで、加熱にも利用できます。エアコンが冷却も加熱もできるのはこのためです。しかし電流の向きを変えるだけの電子冷熱に比べ、仕組みが大がかりになり、装置が大きくなってしまいます。

電子冷熱に使われるペルチェ素子とは、半導体の一種で、ある方向に直流電流を流すと、素子の上面で吸熱（冷却）し、下面で発熱（加熱）する性質を持つものです。

ペルチェ素子の発見は意外に早く、1834年にフランスの物理学者ジャン・シャルル・ペルチェ（J.C.Peltier）によって発見されました。しかし実用化されたのは、半導体が多く使われるようになった1950年代に入ってからです。

ペルチェ素子の原理を解説する前に、まずゼーベック効果について述べておきます。

ゼーベック効果とは、ある物質の両端に温度差があると、その間に起電力が発生する効果です。物質が加熱されると、負の電荷を持った電子または正の電荷を持った正孔であるキャリアが発生します。

しかしこの時に加熱されるのが物質の片端のみであった場合、他端にはキャリアが発生しないため、内部の均衡を取ろうと加熱側から冷却側にキャリアが移動します。これがゼーベック効果による起電力です。

この原理は熱電対にも利用されています。ゼーベック効果は全ての材料で発生しますが、一部の半導体材料において強く発生します。特にキャリアが電子の物質と正孔の物質を直列接続すると大きな電力になります。

つまり、P型半導体とN型半導体を直列に接続した形です。ゼーベック効果によって電力を得る際には、P型半導体とN型半導体を交互に直列につなぎ、より多くの電力を得られるようにしています。

ペルチェ素子の原理は、ゼーベック効果の逆です。物質に電流を流すと、キャリアの均衡を取るために物質の片端で発熱が、他端で吸熱が発生するのです。電流の向きを変えるだけで、冷却と加熱が切り替えられるのはこのためです。

ゼーベック効果同様、全ての材料で発生しますが、N型半導体、金属、P型半導体の順で接続されたものが特に効率よく吸熱と発熱を行います。電流が流れていない時は、金属の中に存在する自由電子がフェルミの分布関数により、P型半導体とN型半導体の間に分布しています。

しかしここに電流が流れると、フェルミ関数の傾きがゆるやかになるため、温度が下がるのです。

ペルチェ素子には次のような特徴があります。

• 電流の向きを変えると冷却と加熱ができる
• 温度応答性に優れる
• 温度調整が正確

電流の向きを変えるだけで冷却と加熱を切り替えられるのはペルチェ素子の大きな特徴の一つです。またそれ以外にも、温度応答性が高く、正確な温度調整ができることも挙げられます。さらに他の部品などを使用せず、素子そのものが吸熱と発熱を行うため効率が高く、省エネにもつながります。