Восковий двигун: як плавлення парафіну керує замками й клапанами

Восковий двигун — це лінійний актуатор, який перетворює теплову енергію на механічну роботу завдяки фазовому переходу воску: під час плавлення матеріал збільшується в обсязі приблизно на 5–20 відсотків, і це розширення виштовхує поршень назовні.

Як він влаштований

Потрібні чотири елементи: замкнений обсяг воску, поршень або шток, що перетворює термогідравлічне зусилля на корисний механічний вихід, джерело тепла та тепловідвід. Тепло може надходити від електричного струму, зазвичай через PTC-термістор, від сонячної радіації, від тепла згоряння — наприклад, залишкового тепла двигуна внутрішнього згоряння — або просто з навколишнього повітря. Охолодження забезпечує конвекція до холоднішого середовища або елемент Пельтьє, налаштований відводити тепло.

Віск може бути як високоочищеним вуглеводнем, так і воском рослинного походження. Найчастіше використовують парафіни з низки прямих n-алканів, бо вони плавляться й тверднуть у чітко визначеному вузькому діапазоні температур — саме ця властивість робить актуатор передбачуваним.

Чому інженери обирають його замість соленоїда

Восковий двигун розвиває великі гідравлічні зусилля: розширення може сягати близько 4000 ньютонів, що за стандартної гравітації відповідає приблизно 400 кілограмам, — на це вказує звіт NASA 1988 року про парафінові актуатори високої потужності. На відміну від магнітного соленоїда, і спрацювання, і відпускання відбуваються плавно й м'яко, а оскільки пристрій є резистивним, а не індуктивним навантаженням, вузлам із керуванням через TRIAC не потрібні демпфувальні ланцюги. Зворотний хід не безкоштовний: потрібна повертальна сила близько 20–30 відсотків робочого зусилля, щоб подолати опір ущільнень, які утримують рідкий віск; її зазвичай дає пружина або противага.

Восковий двигун може працювати й повністю пасивно. Оскільки температуру плавлення воску можна підібрати під діапазон навколишніх температур конкретного застосування, елемент плавиться й твердне лише від тепла довкілля, без додаткового зовнішнього джерела живлення.

Де його застосовують

Аерокосмічна галузь покладається на воскові двигуни для керування пальним, гідравлікою та іншими рідинами, критичними для безпеки польоту. У будинках вони стоять усередині самодійних термостатичних змішувальних клапанів і приводять у дію зональні клапани гідронних систем опалення. Пральні машини з фронтальним завантаженням використовують їх для блокування дверцят: у вологих умовах восковий двигун коштує дешевше за електромагнітний соленоїд за тієї самої надійності та має передбачувану пасивну затримку розблокування. Якщо живлення зникає, дверцята ненадовго залишаються заблокованими — довше, ніж триває вибіг барабана після швидкого віджиму, — а потім надійно розблоковуються, коли віск охолоне.

Посудомийні машини за допомогою таких двигунів відчиняють лоток для мийного засобу та керують витяжною вентиляцією під час сушіння. Кватирки теплиць працюють так само: відчиняються, коли всередині теплішає, і знову зачиняються з охолодженням. На найменшому масштабі той самий принцип застосовують парафінові мікроактуатори, виготовлені за технологією мікроелектромеханічних систем.