内燃エンジンの熱効率は内部温度とともに高まるため、冷却液は沸点を高めるために大気圧よりも高い圧力に保たれます。校正された圧力リリーフバルブは通常、ラジエーターのフィルキャップに組み込まれています。この圧力はモデルによって異なりますが、通常は 4 ～ 30 psi (30 ～ 200 kPa) の範囲です [4]。
冷却システムの圧力が温度の上昇とともに増加すると、圧力リリーフバルブが過剰な圧力を逃がす点に達します。システム温度の上昇が止まると、これは停止します。ラジエーター (またはヘッダー タンク) が過剰に充填されている場合、少量の液体を逃がすことで圧力が解放されます。これは単純に地面に排出されるか、大気圧に保たれた通気孔付きの容器に収集される場合があります。エンジンがオフになると、冷却システムが冷えて液面が下がります。過剰な液体がボトルに集められている場合、これが主冷却回路に「吸い込まれる」可能性があります。そうでない場合もあります。
第二次世界大戦以前は、エンジン冷却材は通常、普通の水でした。不凍液は凍結を制御するためにのみ使用され、多くの場合、寒い天候でのみ使用されました。普通の水がエンジンのブロック内で凍結したまま放置されると、水は凍結するにつれて膨張する可能性があります。この影響により、氷の膨張によりエンジン内部に重大な損傷が生じる可能性があります。
高性能航空機エンジンの開発には、より沸点の高い改良された冷却剤が必要であり、グリコールまたは水とグリコールの混合物の採用につながりました。これらにより、不凍液としてグリコールが採用されるようになりました。
アルミニウムまたは混合金属エンジンの開発以来、あらゆる地域および季節において、腐食防止が不凍液よりもさらに重要になっています。
オーバーフロータンクが空になると冷却剤が蒸発し、エンジンの局所的または全体的な過熱を引き起こす可能性があります。車両が高温になった状態で走行すると、重大な損傷が生じる可能性があります。ヘッドガスケットの吹き抜け、シリンダーヘッドやシリンダーブロックの歪みや亀裂などの故障の原因となります。温度計にデータを提供する温度センサー (機械式または電気式) が冷却液ではなく水蒸気にさらされ、有害な誤った測定値が得られるため、警告が表示されない場合があります。
熱いラジエーターを開けるとシステムの圧力が低下し、沸騰して危険なほど熱い液体や蒸気が噴出する可能性があります。したがって、ラジエターキャップには、キャップが完全に開く前に内圧を逃がそうとする機構が組み込まれていることがよくあります。
自動車の水ラジエーターの発明はカール・ベンツによるものとされています。ヴィルヘルム・マイバッハは、メルセデス 35 馬力用に最初のハニカム ラジエーターを設計しました。
元のラジエーターのサイズを大きくできない場合、冷却能力を高めるために車に 2 つ目のラジエーター (補助ラジエーター) を装備することが必要になる場合があります。 2 番目のラジエーターは、回路内のメイン ラジエーターと直列に配管されています。これは、アウディ 100 に初めてターボチャージャーを搭載して 200 を作成したときのケースでした。これらをインタークーラーと混同しないでください。
一部のエンジンには、エンジン オイルを冷却するためのオイル クーラー、別の小さなラジエーターが付いています。オートマチックトランスミッションを搭載した車は、多くの場合、ラジエーターへの追加の接続があり、トランスミッション液の熱をラジエーター内の冷却液に伝達できます。これらは、メインラジエーターの小型バージョンと同様に、オイルエアラジエーターのいずれかです。より簡単に言うと、水ラジエーターの内側にオイルパイプが挿入された油水クーラーである可能性があります。水は周囲の空気よりも高温ですが、その高い熱伝導率により、より複雑でなく、より安価で信頼性の高いオイル クーラーと同等の冷却 (制限内で) が提供されます。あまり一般的ではありませんが、パワー ステアリング液、ブレーキ液、その他の油圧液は、車両の補助ラジエーターによって冷却される場合があります。
ターボ過給エンジンまたは過給エンジンには、エンジンを冷却するためではなく、吸入空気を冷却するために使用される空対空または空対水のラジエーターであるインタークーラーが装備されている場合があります。
液冷ピストン エンジン (通常は星形エンジンではなく直列エンジン) を搭載した航空機にもラジエーターが必要です。対気速度が自動車よりも速いため、飛行中に効率的に冷却されるため、広い面積や冷却ファンが必要ありません。しかし、多くの高性能航空機は、地上でアイドリングしているときに極度の過熱の問題に悩まされています。スピットファイアの場合、その時間はわずか 7 分です。これは今日の F1 マシンと似ており、エンジンを作動させたままグリッド上に停止すると、オーバーヒートを防ぐためにダクトで空気をラジエター ポッドに強制的に送り込む必要があります。
空気抵抗の低減は、冷却システムの設計を含む航空機設計における主要な目標です。初期の技術は、航空機の豊富な空気の流れを利用して、ハニカム コア (表面が多く、体積に対する表面積の比率が高い) を表面実装ラジエーターに置き換えるというものでした。これは、胴体または翼の外皮にブレンドされた単一の表面を使用し、冷却剤はこの表面の後ろのパイプを通って流れます。このようなデザインは主に第一次世界大戦の航空機で見られました。
地上ラジエーターは対気速度に大きく依存するため、地上走行時にはさらに過熱する傾向があります。フロートの上面にラジエーターが組み込まれたレーシング水上飛行機であるスーパーマリン S.6B などのレーシング航空機は、その性能の主な限界として「温度計で飛行している」と説明されています。
表面ラジエーターは、1928 年のマルコム キャンベルのブルー バードなど、いくつかの高速レーシング カーでも使用されています。
流れ中のガスを処理する必要があるため設計が非常に複雑になるため、一般にほとんどの冷却システムでは冷却流体を沸騰させることができないという制限があります。水冷システムの場合、これは、熱伝達の最大量が水の比熱容量と周囲温度と 100 °C の温度差によって制限されることを意味します。これにより、冬季や気温の低い高地でより効果的な冷却が実現します。
航空機の冷却において特に重要なもう 1 つの効果は、比熱容量が変化し、圧力とともに沸点が低下することです。この圧力は、温度の低下よりも高度に応じてより急速に変化します。したがって、一般的に、液体冷却システムは航空機が上昇するにつれて能力を失います。これは、ターボスーパーチャージャーの導入により高度 15,000 フィートを超える快適な移動が初めて可能になり、冷却設計が主要な研究分野となった 1930 年代には、性能に対する大きな制限でした。
この問題に対する最も明白で一般的な解決策は、冷却システム全体を加圧下で稼働させることでした。これにより、外気温度が低下し続ける間、比熱容量が一定の値に維持されました。したがって、このようなシステムは上昇するにつれて冷却能力を向上させました。これにより、ほとんどの用途において、高性能ピストン エンジンの冷却の問題が解決され、第二次世界大戦期のほぼすべての液冷航空機エンジンがこの解決策を採用しました。
しかし、加圧システムはより複雑で、損傷を受けやすくなっています。冷却液には圧力がかかっているため、ライフル口径の単一の弾痕のような冷却システムの小さな損傷でも、冷却液が急速に噴出します。穴。冷却システムの故障がエンジン故障の主な原因でした。
蒸気を処理できる航空機用ラジエーターを構築するのはより困難ですが、決して不可能ではありません。主な要件は、蒸気をポンプに戻して冷却ループを完了する前に、蒸気を凝縮して液体に戻すシステムを提供することです。このようなシステムは、水の場合、液体の比熱容量の 5 倍である蒸発の比熱を利用できます。蒸気を過熱させることにより、さらに利益が得られる場合があります。蒸発冷却器として知られるこのようなシステムは、1930 年代にかなりの研究のテーマでした。
それ以外は同様で、周囲温度 20 °C で動作する 2 つの冷却システムを考えてみましょう。全液体設計は 30 °C ～ 90 °C で動作し、熱を逃がすために 60 °C の温度差が生じます。蒸発冷却システムは 80 °C ～ 110 °C で動作する場合があります。一見すると、これは温度差がはるかに少ないように見えますが、この分析では、蒸気の生成中に吸収される 500 °C に相当する膨大な量の熱エネルギーが見落とされています。実際、蒸発バージョンは 80 °C と 560 °C の間で動作し、実効温度差は 480 °C になります。このようなシステムは、はるかに少量の水でも効果を発揮できます。
蒸発冷却システムの欠点は、蒸気を沸点以下に冷却するために必要な凝縮器の面積です。蒸気は水よりもはるかに密度が低いため、蒸気を冷却して戻すのに十分な空気流を提供するには、それに応じてより大きな表面積が必要になります。 1933 年のロールス・ロイス・オオタカの設計では、従来のラジエーターのようなコンデンサーが使用されていましたが、この設計は抗力にとって深刻な問題であることが判明しました。ドイツでは、ギュンター兄弟が、蒸発冷却と航空機の翼、胴体、さらには舵全体に広がる表面ラジエーターを組み合わせた代替設計を開発しました。これらの設計を使用していくつかの航空機が製造され、特にハインケル He 119 とハインケル He 100 は数多くの性能記録を打ち立てました。しかし、これらのシステムは、広げられたラジエーターから液体を戻すために多数のポンプを必要とし、適切に動作し続けることが非常に難しいことが判明しました。 、戦闘によるダメージを受けやすくなりました。このシステムの開発努力は、一般に 1940 年までに放棄されました。蒸発冷却の必要性は、水よりも比熱が低いものの沸点がはるかに高いエチレン グリコール ベースの冷却剤が広く入手できるようになったことですぐになくなりました。
ダクト内に含まれる航空機のラジエーターは、通過する空気を加熱し、空気を膨張させて速度を高めます。これはメレディス効果と呼ばれ、適切に設計された低抵抗ラジエーターを備えた高性能ピストン航空機 (特に P-51 マスタング) は、メレディス効果から推力を引き出します。この推力は、ラジエーターが囲まれているダクトの抵抗を相殺するのに十分な大きさであり、航空機は冷却抵抗をゼロにすることができました。ある時点では、スーパーマリン スピットファイアにラジエーターの後の排気ダクトに燃料を注入して点火するアフターバーナーを装備する計画さえありました[要出典]。アフターバーニングは、主燃焼サイクルの下流でエンジンに追加の燃料を噴射することによって実現されます。
