Elemento termostático de cera

El elemento termostático de cera fue inventado en 1934 por Sergius Vernet (1899–1968). ^{[ 1 ]} Su principal aplicación se encuentra en los termostatos automotrices utilizados en el sistema de refrigeración del motor. Las primeras aplicaciones en las industrias de plomería y calefacción se dieron en Suecia (1970) y en Suiza (1971).

Los elementos termostáticos de cera transforman la energía térmica en energía mecánica mediante la dilatación térmica de las ceras al fundirse. Este principio de funcionamiento del motor de cera también encuentra aplicaciones más allá de los sistemas de refrigeración de motores, incluyendo válvulas termostáticas de radiadores en sistemas de calefacción , fontanería, industria y agricultura .

El termostato de refrigeración del motor de combustión interna mantiene la temperatura del motor cerca de su temperatura óptima de funcionamiento regulando el flujo de refrigerante a un radiador refrigerado por aire . Esta regulación ahora la lleva a cabo un termostato interno. Convenientemente, tanto el elemento sensor del termostato como su válvula de control pueden ubicarse en el mismo lugar, lo que permite el uso de un termostato simple, autónomo y sin alimentación eléctrica como dispositivo principal para el control preciso de la temperatura del motor. ^{[ 2 ]} Aunque la mayoría de los vehículos ahora tienen un ventilador de refrigeración eléctrico con control de temperatura, "el flujo de aire sin asistencia puede proporcionar refrigeración suficiente hasta el 95% del tiempo" ^{[ 3 ]} y por lo tanto, dicho ventilador no es el mecanismo para el control principal de la temperatura interna.

Las investigaciones realizadas en la década de 1920 demostraron que el desgaste de los cilindros se agravaba por la condensación del combustible al entrar en contacto con la pared fría del cilindro, lo que eliminaba la película de aceite. El desarrollo del termostato automático en la década de 1930 solucionó este problema al garantizar un calentamiento rápido del motor. ^{[ 4 ]}

Los primeros termostatos utilizaban una cápsula sellada con un líquido orgánico cuyo punto de ebullición era ligeramente inferior a la temperatura de apertura deseada. Estas cápsulas tenían forma de fuelle cilíndrico. Al hervir el líquido dentro de la cápsula, el fuelle se expandía, abriendo una válvula de tapón de latón dentro del termostato. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Dado que estos termostatos podían fallar durante su funcionamiento, se diseñaron para facilitar su reemplazo durante el mantenimiento, generalmente montándolos debajo de la salida de agua en la parte superior del bloque de cilindros. Esta era, convenientemente, también la parte más caliente y accesible del circuito de refrigeración, lo que proporcionaba una respuesta rápida al calentarse.

Los circuitos de refrigeración cuentan con una pequeña derivación, incluso cuando el termostato está cerrado, generalmente a través de un pequeño orificio en el mismo. Esto permite un flujo suficiente de agua de refrigeración para calentar el termostato durante el calentamiento. También proporciona una vía de escape para el aire atrapado al llenar el sistema por primera vez. A menudo se incluye una derivación mayor, a través del bloque de cilindros y la bomba de agua, para mantener una distribución uniforme de la temperatura en aumento. ^{[ 5 ]}

El trabajo realizado en la década de 1930 para enfriar motores de aeronaves de alto rendimiento condujo a la adopción de sistemas de enfriamiento presurizados , que se hicieron comunes en los automóviles de la posguerra. Dado que el punto de ebullición del agua aumenta con la presión, estos sistemas presurizados podían funcionar a una temperatura más alta sin que el agua hirviera. Esto aumentó tanto la temperatura de funcionamiento del motor, y por lo tanto su eficiencia, como la capacidad calorífica del refrigerante por volumen, lo que permitió sistemas de enfriamiento más pequeños que requerían menos potencia de bombeo. ^{[ 6 ]} Una desventaja del termostato de fuelle era que también era sensible a los cambios de presión, por lo que a veces podía cerrarse de nuevo por la presión, lo que provocaba sobrecalentamiento. ^{[ 6 ]} El tipo posterior de pastilla de cera tiene un cambio insignificante en su volumen externo, por lo que es insensible a los cambios de presión. ^{[ 6 ]} Por lo demás, su funcionamiento es idéntico al del tipo anterior. Muchos automóviles de la década de 1950, o anteriores, que originalmente se construyeron con termostatos de fuelle, posteriormente se les instalaron termostatos de cápsula de cera de reemplazo, sin necesidad de ningún cambio o adaptación.

Esta forma moderna más común de termostato ahora usa una pastilla de cera dentro de una cámara sellada. ^{[ 6 ]} En lugar de una transición líquido-vapor, estos usan una transición sólido-líquido, que en el caso de las ceras va acompañada de un gran aumento de volumen. La cera es sólida a bajas temperaturas, y a medida que el motor se calienta, la cera se derrite y se expande. La cámara sellada acciona una varilla que abre una válvula cuando se supera la temperatura de funcionamiento. La temperatura de funcionamiento es fija, pero está determinada por la composición específica de la cera, por lo que existen termostatos de este tipo para mantener diferentes temperaturas, generalmente en el rango de 70 a 90 ° C (160 a 200 ° F ). ^{[ 7 ]} Los motores modernos funcionan a altas temperaturas, es decir, por encima de 80  °C (180  °F), para funcionar de manera más eficiente y reducir la emisión de contaminantes.

Mientras el termostato está cerrado, no hay flujo de refrigerante en el circuito del radiador, y el agua refrigerante se redirige a través del motor, lo que permite que se caliente rápidamente y evita puntos calientes. El termostato permanece cerrado hasta que la temperatura del refrigerante alcanza la temperatura nominal de apertura del termostato. A partir de ese momento, el termostato se abre progresivamente a medida que la temperatura del refrigerante aumenta hasta la temperatura óptima de funcionamiento, incrementando el flujo de refrigerante hacia el radiador. Una vez alcanzada la temperatura óptima de funcionamiento, el termostato aumenta o disminuye progresivamente su apertura en respuesta a los cambios de temperatura, equilibrando dinámicamente el flujo de recirculación del refrigerante y el flujo de refrigerante hacia el radiador para mantener la temperatura del motor dentro del rango óptimo a medida que cambian la potencia calorífica del motor, la velocidad del vehículo y la temperatura ambiente exterior . En condiciones normales de funcionamiento, el termostato se abre aproximadamente hasta la mitad de su recorrido, de modo que puede abrirse más o reducir su apertura para reaccionar a los cambios en las condiciones de funcionamiento. Un termostato correctamente diseñado nunca estará completamente abierto ni completamente cerrado mientras el motor funcione normalmente, ya que se produciría un sobrecalentamiento o un enfriamiento excesivo.

Los motores que requieren un control de temperatura más preciso, debido a su sensibilidad al choque térmico provocado por fluctuaciones del refrigerante, pueden utilizar un sistema de temperatura de entrada constante . En este sistema, la refrigeración de entrada al motor se controla mediante un termostato de doble válvula que mezcla un flujo de detección recirculante con el flujo de refrigeración del radiador. Estos termostatos emplean una sola cápsula, pero cuentan con dos discos de válvula. De este modo, se logra una función de control muy compacta, sencilla y eficaz.

El termostato de doble válvula también puede regular el flujo de refrigerante al carburador: mientras la temperatura del refrigerante sea relativamente baja, el carburador se calentará, acelerando así aún más el calentamiento del motor.

La cera utilizada en el termostato se fabrica específicamente para este fin. A diferencia de la parafina estándar , que presenta una gama relativamente amplia de longitudes de cadena de carbono , la cera empleada en el termostato tiene una gama muy estrecha de cadenas moleculares de carbono. La longitud de las cadenas suele estar determinada por las características de fusión requeridas para la aplicación final específica. La fabricación de este producto exige niveles de destilación muy precisos .

La carrera es el movimiento del pistón con respecto a su punto de partida. La carrera ideal corresponde al rango de temperatura de los elementos. Según el tipo de elemento, puede variar de 1,5  mm a 16  mm.

El rango de temperatura se encuentra entre la temperatura mínima y máxima de funcionamiento del elemento. Los elementos pueden soportar temperaturas que van desde -15  °C hasta +120  °C. Los elementos pueden moverse en proporción al cambio de temperatura en cierta parte del rango, o pueden abrirse repentinamente alrededor de una temperatura determinada, dependiendo de la composición de las ceras.

La histéresis es la diferencia observada entre la curva de ascenso y la de descenso durante el calentamiento y el enfriamiento del elemento. La histéresis es causada por la inercia térmica del elemento y por la fricción entre las partes en movimiento. ^{[ 8 ]}

• Válvula termostática del radiador
• Válvula mezcladora termostática

• Vernatherm Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine - Actuadores térmicos - y otros controles termostáticos de fluidos - Rostra Vernatherm
• ThermalActuators.com - Actuadores térmicos - Información y productos sobre funcionamiento mecánico - Actuadores térmicos
• Vernet.fr - Cartuchos de elementos termostáticos Termostatos Actuador electrotérmico
• Ysnews.com - Vernet fundó una empresa líder en Yellow Springs.
• Vernay - 1946 Vernet fundó los Laboratorios Vernay
• thermal-actuators.com - Automoción | TU-POLY