תרמוסטט הוא סוג של מכשיר לוויסות טמפרטורה אוטומטי, המכיל בדרך כלל רכיב חישת טמפרטורה, המפעיל ומכבה את זרימת נוזל הקירור באמצעות הרחבה או התכווצות, כלומר, מכוון אוטומטית את זרימת המים לרדיאטור בהתאם לטמפרטורת נוזל הקירור, משנה את טווח זרימת נוזל הקירור, וכך מכוון את קיבולת פיזור החום של מערכת הקירור.
התרמוסטט הראשי של המנוע הוא תרמוסטט מסוג שעווה, הנשלט על ידי הפרפין שבפנים באמצעות עקרון ההתפשטות התרמית והתכווצות הקרה כדי לשלוט על זרימת נוזל הקירור. כאשר טמפרטורת הקירור נמוכה מהערך שצוין, הפרפין המזוקק בגוף חיישן הטמפרטורה של התרמוסטט מוצק, שסתום התרמוסטט תחת פעולת הקפיץ סוגר את התעלה בין המנוע לרדיאטור, נוזל הקירור חוזר למנוע דרך משאבת המים, מחזור קטן של המנוע. כאשר טמפרטורת נוזל הקירור מגיעה לערך שצוין, הפרפין מתחיל להינמס והופך בהדרגה לנוזל, והנפח עולה ולוחץ על צינור הגומי כדי לגרום לו להתכווץ. במקביל, צינור הגומי מתכווץ ומפעיל דחיפה כלפי מעלה על מוט הדחיפה. למוט הדחיפה יש דחיפה כלפי מטה על השסתום כדי לפתוח את השסתום. בשלב זה, נוזל הקירור זורם דרך הרדיאטור ושסתום התרמוסטט, ואז זורם חזרה למנוע דרך משאבת המים למחזור גדול. רוב התרמוסטט מסודר בצינור יציאת המים של ראש הצילינדר, ויש לו יתרון של מבנה פשוט וקל לשחרור בועות במערכת הקירור; החיסרון הוא שהתרמוסטט נפתח ונסגר לעתים קרובות בזמן העבודה, מה שיוצר תופעת תנודה.
כאשר טמפרטורת הפעולה של המנוע נמוכה (מתחת ל-70 מעלות צלזיוס), התרמוסטט סוגר אוטומטית את הנתיב המוביל לרדיאטור ופותח את הנתיב המוביל למשאבת המים. מי הקירור הזורמים ממעיל המים נכנסים ישירות למשאבת המים דרך הצינור, ונשלחים למעיל המים על ידי משאבת המים לצורך מחזור. מכיוון שמי הקירור אינם מתפזרים על ידי הרדיאטור, ניתן להעלות את טמפרטורת העבודה של המנוע במהירות. כאשר טמפרטורת העבודה של המנוע גבוהה (מעל 80 מעלות צלזיוס), התרמוסטט סוגר אוטומטית את הנתיב המוביל למשאבת המים ופותח את הנתיב המוביל לרדיאטור. מי הקירור הזורמים ממעיל המים מקוררים על ידי הרדיאטור ולאחר מכן נשלחים למעיל המים על ידי משאבת המים, מה שמשפר את עוצמת הקירור ומונע התחממות יתר של המנוע. מסלול מחזור זה נקרא מחזור גדול. כאשר טמפרטורת הפעולה של המנוע היא בין 70 מעלות צלזיוס ל-80 מעלות צלזיוס, קיימים מחזורים גדולים וקטנים בו זמנית, כלומר, חלק ממי הקירור למחזור גדול, וחלק אחר ממי הקירור למחזור קטן.
תפקידו של תרמוסטט הרכב הוא לסגור את המכונית לפני שהטמפרטורה לא תגיע לטמפרטורה הרגילה. בשלב זה, נוזל הקירור של המנוע מוחזר למנוע על ידי משאבת המים, ומחזור קטן במנוע מתבצע כדי לגרום למנוע להתחמם במהירות. כאשר הטמפרטורה עולה על הטמפרטורה הרגילה, ניתן לפתוח את התרמוסטט, כך שנוזל הקירור יעבור דרך כל לולאת הרדיאטור של המיכל לצורך מחזור גדול, וכך יפזר חום במהירות.
