מנוע שעווה: כך הופכת התכת הפרפין לכוח שמפעיל מנעולים ושסתומים

מנוע שעווה הוא מפעיל לינארי שממיר אנרגיה תרמית לעבודה מכנית באמצעות מעבר הפאזה של השעווה: כשהחומר נמס הוא מתפשט בנפחו בכ-5 עד 20 אחוזים, וההתפשטות הזאת דוחפת בוכנה החוצה.

איך זה בנוי

נדרשים ארבעה רכיבים: נפח שעווה סגור, בוכנה או מוט שממיר את הכוח התרמו-הידראולי לתפוקה מכנית, מקור חום וגוף לקירור. החום יכול להגיע מזרם חשמלי, בדרך כלל דרך תרמיסטור PTC, מקרינה סולרית, מחום בעירה — למשל חום עודף ממנוע שריפה פנימית — או פשוט מהאוויר בסביבה. הקירור נעשה בהסעה לאוויר קריר יותר או ברכיב פלטייה שמעביר את החום החוצה.

השעווה יכולה לנוע בין פחמימנים מזוקקים מאוד לשעוות שמקורן בצומח. שעוות פרפין מסדרת n-אלקאנים ישרים נפוצות במיוחד, מפני שהן נמסות ומתמצקות בטווח טמפרטורות מוגדר וצר — התכונה שהופכת את המפעיל לצפוי.

למה עדיף אותו על סולנואיד

מנוע שעווה מספק כוחות הידראוליים גדולים: ההתפשטות יכולה להגיע לסדר גודל של 4,000 ניוטון, שהם כ-400 קילוגרם בתנאי כבידה תקניים, לפי דוח נאס"א משנת 1988 על מפעילי פרפין בתפוקה גבוהה. בניגוד לסולנואיד מגנטי, גם ההפעלה וגם השחרור חלקים ועדינים ולא מיידיים, ומכיוון שההתקן הוא עומס התנגדותי ולא השראותי, יחידות נשלטות TRIAC אינן זקוקות למעגלי שיכוך. חזרה אינה חינם: נדרש כוח מחזיר של כ-20 עד 30 אחוזים מכוח הפעולה כדי להתגבר על התנגדות האטמים שמחזיקים את השעווה הנוזלית, והוא מסופק על ידי קפיץ או משקולת.

מנוע שעווה יכול גם לפעול באופן פסיבי לחלוטין. מכיוון שאפשר לבחור את נקודת ההיתוך של השעווה כך שתתאים לטווח הטמפרטורות בסביבת היישום, הרכיב נמס ומתמצק מכוח החום הסביבתי בלבד, בלי מקור כוח חיצוני נוסף.

היכן משתמשים בו

תעשיית התעופה והחלל מסתמכת על מנועי שעווה לשליטה בדלק, בהידראוליקה ובשמנים קריטיים לטיסה בטוחה. בבניינים הם יושבים בתוך שסתומי ערבול תרמוסטטיים הפועלים מעצמם ומניעים שסתומי אזור במערכות חימום מים. מכונות כביסה עם פתיחה קדמית משתמשות בהם לנעילת הדלת: בתנאי לחות מנוע שעווה עולה פחות מסולנואיד אלקטרומגנטי באותה מהימנות, ויש לו השהיית שחרור פסיבית צפויה. אם החשמל נופל, הדלת נשארת נעולה לזמן קצר — ארוך מהזמן שלוקח לתוף להאט אחרי סחיטה מהירה — ואז נפתחת באופן אמין כשהשעווה מתקררת.

מדיחי כלים משתמשים בהם לשחרור תא חומר הניקוי ולשליטה בפתח האוורור בשלב הייבוש. חלונות אוורור בחממות פועלים באותו אופן: נפתחים כשהטמפרטורה בפנים עולה ונסגרים שוב כשהיא יורדת. בקנה המידה הקטן ביותר, מפעילי פרפין זעירים המיוצרים בטכנולוגיית מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות מיישמים את אותו עיקרון על שבב.