發動機工作溫度低（70°C以下）時，節溫器自動關閉通向散熱器的通路，而開啟通向水泵的通路，從水套流出的冷卻水直接通過軟管進入水泵，並經水泵送入水套再進行循環，由於冷卻水不經散熱器散熱，可使發動機工作溫度迅速升高，此循環路線稱小循環。發動機工作溫度高（80°C以上）時，節溫器自動關閉通向水泵的通路，而開啟通向散熱器的通路，從水套流出的冷卻水經散熱器散熱後再由水泵送入水套，提高瞭冷卻強度，以防止發動機過熱，此循環路線稱大循環。發動機工作溫度在70~80°C之間時，大、小循環同時存在，即部分冷卻水進行大循環，而另一部分冷卻水進行小循環。
汽車節溫器的作用是在車的溫度還沒有達到正常溫度前處在關閉狀態，這時發動機的冷卻液經水泵返回發動機，進行發動機內小循環，起到讓發動機快速升溫。當超過正常溫度後就能打開，讓冷卻液經過整個水箱散熱器回路進行大循環，從而快速散熱
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