Ein thermischer Aktor wird auch als Wachselement, Dehnstoffelement oder Thermoelement bezeichnet. Er wandelt Wärmeenergie in mechanische Bewegung um und überträgt nach einer Temperaturänderung selbsttätig eine definierte Kraft und einen definierten Hub. Das gekapselte Bauteil ist weitgehend unabhängig von der äußeren Atmosphäre und bildet die Schlüsselfunktion vieler Temperaturregel- und Sicherheitssysteme.
Typische Anwendungen finden sich in Automobilen, Gebäudeheizungen, Sanitärarmaturen, HVAC-Systemen, Solaranlagen, petrochemischen Anlagen, Schiffen, Haushaltsgeräten, Brandschutz- und Industrieventilen. Wesentliche Vorteile sind der große einstellbare Temperaturbereich, die einfache Konstruktion, der geräuschlose Betrieb und die zuverlässige Wiederholbarkeit.
Nach der inneren Abdichtung und Kraftübertragung werden drei Bauformen unterschieden: Squeeze-Push-, Membran- und Kolbenausführung.
1. Squeeze-Push-Ausführung
Eine geschlossene Kapsel besteht aus Führung, Becher und elastomerem Einsatz. Das Wachs ist im Becher versiegelt, während der Kolben vom Elastomer umschlossen wird. Überschreitet die Medientemperatur den Arbeitsbeginn, dehnt sich das Wachs aus. Der entstehende Druck wirkt radial und axial auf den Elastomereinsatz und bewegt den Kolben nach außen. Beim Abkühlen sorgt eine äußere Feder für die Rückstellung.
Vorteile: großer Hub, hohe Belastbarkeit und gute Zuverlässigkeit. Diese Bauform wird häufig im Motorthermomanagement eingesetzt.
Grenzen: Empfindlichkeit und Hysterese können ungünstiger sein als bei einer Membranausführung.
2. Membranausführung
Bei der Membranbauform ist das Wachs durch eine flexible Metall- oder Elastomermembran abgeschlossen. Bei Erwärmung drückt das expandierende Wachs gegen die Membran. Die Bewegung wird über ein Druckstück auf den Kolben übertragen; Führung und Lagerung ermöglichen eine präzise lineare Bewegung. Eine Feder stellt den Kolben beim Abkühlen zurück.
Vorteile: präziser Bewegungsweg, hohe Empfindlichkeit und geringe Reibung. Deshalb eignet sich diese Bauform besonders für Sanitär- und Heizungsanwendungen.
Grenzen: Für sehr große Hübe oder hohe mechanische Lasten ist sie weniger geeignet als robuste Squeeze-Push- oder Kolbenkonstruktionen.
3. Kolbenausführung
Eine geschlossene Kapsel enthält Becher, Dichtstopfen, Führung und Kolben. Das expandierende Wachs wirkt über den Dichtstopfen unmittelbar auf den Kolben. Die kompakte Konstruktion kann große Kräfte aufnehmen; eine äußere Feder übernimmt auch hier die Rückstellung.
Vorteile: großer Hub, hohe aufnehmbare Last und kompakte Abmessungen. Die Bauform wird in Motorkühlsystemen und Sonderanwendungen verwendet.
Grenzen: Dichtung, Hysterese und Langzeitzuverlässigkeit müssen für die jeweilige Last sorgfältig ausgelegt werden.
Technische Begriffe
Anfangshöhe: Kolbenposition bei Referenztemperatur vor Beginn des Arbeitswegs.
Vollhub: Weg des Kolbens von der Anfangshöhe bis zur vollständig geöffneten Position.
Überhub: zusätzlicher Weg oberhalb des Nennvollhubs bei maximaler Arbeitstemperatur.
Hysterese: Temperaturunterschied zwischen Aufheiz- und Abkühlkennlinie, beeinflusst durch Wachsmischung, Reibung und Konstruktion.
Ansprechzeit: Zeit, die der Kolben unter festgelegten Bedingungen bis zum geforderten Hub benötigt.
Bei der Auswahl sind Temperaturbereich, Hub, Kraft, Einbaulage, Rückstellfeder, Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit, Medienverträglichkeit und Lebensdauer gemeinsam zu betrachten.
