Eine Wachsmotor ist eine einfache Maschine, die Wärme in Bewegung umwandelt. Legen Sie einen versiegelten Block Wachs in einen Metallzylinder, fügen Sie eine Stange hinzu, die sich bewegt, wenn das Wachs anschwillt, und Sie haben ein Gerät, das sich erwärmt ausdehnt und abkühlt zusammenzieht. Das Prinzip ist uralt – Wachs dehnt sich beim Schmelzen aus – aber die moderne Version ist bei weitem nicht neu.
Die dahinterliegende Wissenschaft verdient einen genaueren Blick. Die Kernidee ist unkompliziert: Erhitzen Sie das Wachs, und es wird größer. Kühlen Sie es ab, und es schrumpft. Die Größenänderung bewegt eine Stange, die dann die Arbeit verrichtet.
Wie Wachsmotoren funktionieren
Das Wachs selbst ist der Star der Show. Die meisten Wachsmotoren verwenden Paraffin, einen geradkettigen Kohlenwasserstoff, der über einen schmalen, definierten Temperaturbereich schmilzt. Wenn die Wärmequelle eingeschaltet wird, absorbiert das Wachs Energie, dehnt sich aus und treibt die Stange vorwärts. Wenn die Wärme abgestellt wird, kühlt das Wachs ab, zieht sich zusammen und die Stange kehrt zurück.
Das Referenzmaterial zitiert Freund et al. 1982, die darauf hinwiesen, dass Wachs beim Schmelzen typischerweise um 5–20 % wächst. Diese geringe Ausdehnung reicht aus, um eine Stange mit überraschender Kraft voranzutreiben. Die Kraft kommt von der Ausdehnung selbst, nicht von beweglichen Teilen innerhalb des Motors.
Die Wärmequelle kann fast alles sein. Elektrizität ist üblich – ein PTC-Thermistorm ist eine beliebte Wahl. Sonnenstrahlung, Verbrennungswärme aus einem Motor oder sogar Umgebungswärme können die Aufgabe übernehmen. Der Wärmeabnehmer, der die Wärme abführt, kann Konvektion zu kühler Luft, ein Peltier-Bauelement, das Wärme ableitet, oder einfaches natürliches Abkühlen des Wachses sein.
Die Stange zieht selten von selbst zurück. Dichtungen um den Zylinder halten das flüssige Wachs an Ort und Stelle, und die Überwindung dieser Reibung erfordert zusätzliche Kraft. Das Referenzmaterial zitiert Duerig 1990, der feststellte, dass die Vorspannkraft, die benötigt wird, um die Stange einzuziehen, typischerweise 20 % bis 30 % der Betriebskraft beträgt. Diese Kraft wird typischerweise von einer Feder oder einem Gewicht geliefert, das durch die Schwerkraft an die Außenseite des Motors gezogen wird.
Warum Wachs Solenoiden überlegen ist
Der Vergleich mit Solenoiden steht im Mittelpunkt der Attraktivität von Wachsmotoren. Ein magnetischer Solenoid ist schnell, aber er ist auch abrupt – er klickt sofort ein und aus. Ein Wachsmotor reagiert langsamer, aber er bewegt sich sanft. Diese Sanftheit ist in manchen Anwendungen wichtig, insbesondere wenn die beteiligte Kraft groß ist.
Die Kraft selbst ist bemerkenswert. Tibbitts (1988), wie im Quellenmaterial angegeben, berichtet, dass ein Wachsmotor etwa 4000 N Kraft erzeugen kann, was etwa 400 kg oder 900 lb bei normaler Schwerkraft entspricht. Das ist genug, um eine beträchtliche Masse zu bewegen, und das kommt von einem Gerät, das im Wesentlichen eine versiegelte Tube aus Wachs ist.
Da der Wachsmotor eine ohmsche Last und keine induktive Last ist, verhält er sich gut mit TRIACs, den Schaltern, die zur Steuerung von Wechselstrom verwendet werden. Im Gegensatz zu induktiven Lasten, die Schutzschaltungen benötigen, um den TRIAC zu schützen, benötigen Wachsmotoren diese zusätzlichen Komponenten nicht. Das vereinfacht die Schaltung und reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls.
Wachsmotoren können auch vollständig passiv betrieben werden. Wenn das Wachs so gewählt wird, dass es innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs der Umgebungstemperatur schmilzt, kann der Motor ein Ventil öffnen und schließen, ohne eine externe Stromquelle zu benötigen. Die Wärme aus der Umgebung erledigt die Arbeit. Dies macht sie nützlich in abgelegenen Gebieten, in denen Strom knapp ist.
Wo Wachsmotoren eingesetzt werden
Die Anwendungen sind breit gefächert. Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet sie zur Steuerung von Treibstoff, Hydraulikflüssigkeiten und anderen Ölen in Flugzeugen. Das Quellenmaterial zitiert Group, Techbriefs Media, die berichtete, dass Wachsmotoren in diesem Bereich eingesetzt werden.
HLK-Systeme verwenden Wachsmotoren in thermostatischen Mischventilen. Das Wachs erfasst die Temperatur und passt die Ventilposition an, um eine bestimmte Zieltemperatur zu erzeugen. Das gleiche Prinzip gilt für Waschmaschinen, wo ein Wachsmotor die Tür verriegelt, sobald ein Zyklus beginnt. Wenn die Waschmaschine fertig ist, kühlt das Wachs ab und die Tür wird entriegelt.
Geschirrspüler verwenden Wachsmotoren, um den Verschluss des Spenderfachs für das Reinigungsmittel freizugeben. Der Motor wirkt wie ein Solenoid, wenn er vom Timer der Geschirrspülmaschine aktiviert wird, und der Kolben öffnet den Mechanismus. Dieselben Motoren steuern auch die Abluftklappe für den Trocknungszyklus.
Gewächshäuser verwenden Wachsmotoren, um die Temperatur zu regulieren. Wenn die Luft im Gewächshaus wärmer wird, schmilzt das Wachs und öffnet die Lüftungsöffnungen. Sobald die Temperatur sinkt, kühlt das Wachs ab und schließt sie wieder. Der Motor kann passiv betrieben werden, indem man vorhandene Energiequellen aus der Umgebung nutzt, was bedeutet, dass keine zusätzliche externe Stromquelle benötigt wird.
Paraffin-Mikroaktoren sind eine kleinere Variante derselben Idee. Häufig mit MEMS-Technologie hergestellt, verbinden sie Präzisionsfertigung mit der thermischen Reaktion des Wachses. Ogden, Klintberg, Lena, Thornell, Greger, Hjort, Klas und Bodén haben den Bereich in „Microfluidics and Nanofluidics“ überblickt und festgestellt, dass miniaturisierte Paraffinaktoren ausgiebig untersucht wurden.
Kasten mit den wichtigsten Fakten
- Wachs dehnt sich bei der Schmelze um 5–20 % aus (Freund et al. 1982)
- Antriebskraft: etwa 4000 N oder 400 kg/900 lb (Tibbitts 1988)
- Vorspannkraft: 20 % bis 30 % der Antriebskraft (Duerig 1990)
- Die Kraft des Wachsmotors stammt aus der Ausdehnung, nicht von beweglichen Teilen
- Passive Betriebsweise möglich mit Umgebungswärme
Eine Reihenfolge der Anwendungen
| Anwendung | Wärmequelle | Einsatz |
|---|---|---|
| Flugzeugsteuerung | Motorwärme ) | Kraftstoff-, hydraulische- und Ölsysteme ) |
| Mischventile ) | Umgebungswärme ) | Thermostatgesteuerte Temperaturregelung ) |
| Wäschetürverriegelung ) | Zyklusstart ) | Türverbindung ) |
| Geschirrspülmittel-Arretierung ) | Zeitstimmsignals ) | Freigabemechanismus ) |
| Gewächshauslüftung ) | Umgebungsluft ( | Temperaturregelung ( |
Die Wachsmotor ist ein leises Stück Ingenieurskunst. Er brummt nicht, er funkt nicht und benötigt keinen kontinuierlichen Stromfluss. Er sitzt einfach nur da, wartet auf Wärme und bewegt sich dann. (
Der Wachsmotor ist nicht neu. Aber er erledigt die Arbeit weiterhin. (
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