Bộ điều nhiệt là một loại thiết bị điều chỉnh nhiệt độ tự động, thường chứa một bộ phận cảm biến nhiệt độ, bằng cách giãn nở hoặc co lại để bật và tắt dòng chảy của chất làm mát, tức là tự động điều chỉnh lượng nước vào bộ tản nhiệt theo nhiệt độ của chất làm mát, thay đổi phạm vi tuần hoàn của chất làm mát, để điều chỉnh khả năng tản nhiệt của hệ thống làm mát.
Bộ điều nhiệt chính của động cơ là loại điều nhiệt kiểu sáp, được điều khiển bởi chất parafin bên trong thông qua nguyên lý giãn nở nhiệt và co lại khi nguội để kiểm soát sự tuần hoàn của chất làm mát. Khi nhiệt độ làm mát thấp hơn giá trị quy định, parafin tinh chế trong thân cảm biến nhiệt độ của bộ điều nhiệt sẽ ở trạng thái rắn, van điều nhiệt dưới tác dụng của lò xo sẽ đóng kênh giữa động cơ và bộ tản nhiệt, chất làm mát sẽ quay trở lại động cơ thông qua bơm nước, động cơ sẽ tuần hoàn nhỏ. Khi nhiệt độ của chất làm mát đạt đến giá trị quy định, parafin bắt đầu tan chảy và dần dần chuyển thành dạng lỏng, thể tích tăng lên và ép vào ống cao su làm cho nó co lại. Đồng thời, ống cao su co lại và tạo ra lực đẩy hướng lên trên tác động lên cần đẩy. Cần đẩy tạo ra lực đẩy hướng xuống dưới tác động lên van làm cho van mở ra. Lúc này, chất làm mát sẽ chảy qua bộ tản nhiệt và van điều nhiệt, sau đó chảy trở lại động cơ thông qua bơm nước để tuần hoàn lớn. Hầu hết các bộ điều nhiệt được bố trí trong ống dẫn nước ra của đầu xi lanh, có ưu điểm là cấu trúc đơn giản và dễ dàng loại bỏ bọt khí trong hệ thống làm mát; Nhược điểm là bộ điều nhiệt thường xuyên đóng mở khi hoạt động, tạo ra hiện tượng dao động.
Khi nhiệt độ hoạt động của động cơ thấp (dưới 70°C), bộ điều nhiệt tự động đóng đường dẫn đến bộ tản nhiệt và mở đường dẫn đến bơm nước. Nước làm mát chảy ra từ áo nước đi thẳng vào bơm nước qua ống dẫn và được bơm vào áo nước để tuần hoàn. Vì nước làm mát không bị tản nhiệt qua bộ tản nhiệt, nhiệt độ hoạt động của động cơ có thể tăng nhanh. Khi nhiệt độ hoạt động của động cơ cao (trên 80°C), bộ điều nhiệt tự động đóng đường dẫn đến bơm nước và mở đường dẫn đến bộ tản nhiệt. Nước làm mát chảy ra từ áo nước được làm mát bởi bộ tản nhiệt và sau đó được bơm vào áo nước, giúp tăng cường hiệu quả làm mát và ngăn ngừa động cơ quá nóng. Chu trình này được gọi là chu trình lớn. Khi nhiệt độ hoạt động của động cơ nằm trong khoảng từ 70°C đến 80°C, cả chu trình lớn và chu trình nhỏ cùng tồn tại, nghĩa là một phần nước làm mát dành cho chu trình lớn, và phần còn lại dành cho chu trình nhỏ.
Chức năng của van điều nhiệt ô tô là đóng van trước khi nhiệt độ đạt đến mức bình thường. Lúc này, nước làm mát động cơ được bơm trở lại động cơ, tạo ra sự tuần hoàn nhỏ trong động cơ giúp động cơ nhanh chóng nóng lên. Khi nhiệt độ vượt quá mức bình thường, van có thể được mở ra, cho phép nước làm mát tuần hoàn mạnh qua toàn bộ bình chứa và bộ tản nhiệt, giúp tản nhiệt nhanh chóng.
