เทอร์โมสตัทเป็นอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติชนิดหนึ่ง โดยปกติจะมีส่วนประกอบตรวจจับอุณหภูมิอยู่ภายใน ทำหน้าที่ขยายหรือหดตัวเพื่อเปิดและปิดการไหลของของเหลวหล่อเย็น กล่าวคือ ปรับปริมาณน้ำที่ไหลเข้าสู่หม้อน้ำโดยอัตโนมัติตามอุณหภูมิของของเหลวหล่อเย็น เปลี่ยนช่วงการไหลเวียนของของเหลวหล่อเย็น เพื่อปรับความสามารถในการระบายความร้อนของระบบระบายความร้อน
เทอร์โมสตัทหลักของเครื่องยนต์เป็นเทอร์โมสตัทแบบขี้ผึ้ง ซึ่งควบคุมโดยพาราฟินภายในผ่านหลักการขยายตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและการหดตัวเมื่ออุณหภูมิต่ำลง เพื่อควบคุมการไหลเวียนของน้ำหล่อเย็น เมื่ออุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นต่ำกว่าค่าที่กำหนด พาราฟินบริสุทธิ์ในตัวตรวจจับอุณหภูมิของเทอร์โมสตัทจะแข็งตัว วาล์วเทอร์โมสตัทจะปิดช่องทางระหว่างเครื่องยนต์และหม้อน้ำภายใต้การทำงานของสปริง น้ำหล่อเย็นจะไหลผ่านปั๊มน้ำกลับไปยังเครื่องยนต์ ทำให้เครื่องยนต์ทำงานเป็นวงจรเล็กๆ เมื่ออุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นถึงค่าที่กำหนด พาราฟินจะเริ่มละลายและค่อยๆ กลายเป็นของเหลว ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นและดันท่อยางให้หดตัว ในขณะเดียวกัน ท่อยางจะหดตัวและออกแรงดันขึ้นบนก้านดัน ก้านดันจะออกแรงดันลงบนวาล์วทำให้วาล์วเปิด ในขณะนี้ น้ำหล่อเย็นจะไหลผ่านหม้อน้ำและวาล์วเทอร์โมสตัท จากนั้นไหลกลับไปยังเครื่องยนต์ผ่านปั๊มน้ำเพื่อหมุนเวียนเป็นวงจรใหญ่ โดยทั่วไปแล้ว เทอร์โมสตัทส่วนใหญ่จะติดตั้งอยู่ในท่อน้ำออกของฝาสูบ ซึ่งมีข้อดีคือโครงสร้างเรียบง่ายและระบายฟองอากาศในระบบระบายความร้อนได้ง่าย แต่ข้อเสียคือเทอร์โมสตัทมักจะเปิดและปิดบ่อยครั้งขณะทำงาน ทำให้เกิดปรากฏการณ์การแกว่งไปมา
เมื่ออุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์ต่ำ (ต่ำกว่า 70°C) เทอร์โมสตัทจะปิดทางเดินไปยังหม้อน้ำโดยอัตโนมัติ และเปิดทางเดินไปยังปั๊มน้ำ น้ำหล่อเย็นที่ไหลออกจากเสื้อสูบจะเข้าสู่ปั๊มน้ำโดยตรงผ่านท่อ และถูกส่งไปยังเสื้อสูบโดยปั๊มน้ำเพื่อหมุนเวียน เนื่องจากน้ำหล่อเย็นไม่สูญเสียไปกับหม้อน้ำ อุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์จึงสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์สูง (สูงกว่า 80°C) เทอร์โมสตัทจะปิดทางเดินไปยังปั๊มน้ำโดยอัตโนมัติ และเปิดทางเดินไปยังหม้อน้ำ น้ำหล่อเย็นที่ไหลออกจากเสื้อสูบจะถูกทำให้เย็นลงโดยหม้อน้ำ แล้วถูกส่งไปยังเสื้อสูบโดยปั๊มน้ำ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนและป้องกันไม่ให้เครื่องยนต์ร้อนเกินไป เส้นทางการหมุนเวียนนี้เรียกว่าวงจรขนาดใหญ่ เมื่ออุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์อยู่ระหว่าง 70°C ถึง 80°C วงจรขนาดใหญ่และวงจรขนาดเล็กจะเกิดขึ้นพร้อมกัน กล่าวคือ น้ำหล่อเย็นส่วนหนึ่งสำหรับวงจรขนาดใหญ่ และน้ำหล่อเย็นอีกส่วนหนึ่งสำหรับวงจรขนาดเล็ก
หน้าที่ของเทอร์โมสตัทในรถยนต์คือการปิดระบบก่อนที่อุณหภูมิจะถึงระดับปกติ ในขณะนั้น น้ำหล่อเย็นของเครื่องยนต์จะถูกส่งกลับไปยังเครื่องยนต์โดยปั๊มน้ำ ทำให้เกิดการหมุนเวียนเล็กน้อยภายในเครื่องยนต์เพื่อให้เครื่องยนต์อุ่นขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิสูงเกินระดับปกติ ระบบก็จะเปิดออก เพื่อให้น้ำหล่อเย็นไหลเวียนผ่านหม้อน้ำทั้งถังในปริมาณมาก เพื่อระบายความร้อนได้อย่างรวดเร็ว
