ラジエーター（エンジン冷却）

ラジエーターは、主に自動車の内燃機関を冷却するために使用される熱交換器ですが、ピストンエンジンの航空機、鉄道機関車、オートバイ、定置型発電所、または同様のエンジンの用途にも使用されます。

内燃機関は、エンジン冷却液と呼ばれる液体をエンジンブロックとシリンダーヘッドに循環させて冷却することが多く、そこで液体は加熱され、次にラジエーターを通過して大気中に熱を奪われ、その後エンジンに戻されます。エンジン冷却液は通常は水ベースですが、オイルの場合もあります。エンジン冷却液を循環させるためにウォーターポンプを使用するのが一般的で、またラジエーターに空気を流すために軸流ファン^[1]を使用するのも一般的です。

液冷式内燃機関を搭載した自動車やオートバイでは、ラジエーターがエンジンとシリンダーヘッドを通るチャネルに接続され、そのチャネルを通じて液体 (冷却剤) が冷却剤ポンプによって送り出されます。この液体は水である場合もありますが ( 水が凍りにくい気候の場合 )、気候に適した割合で水と不凍液を混合したものが一般的です。不凍液自体は通常、エチレングリコールまたはプロピレングリコール( 少量の腐食防止剤を含む )です。

一般的な自動車の冷却システムは、次のもので構成されています。

• エンジンブロックとシリンダーヘッドに鋳造された一連のギャラリーで、燃焼室を循環する液体で囲み、熱を逃がします。
• ラジエーターは、熱を急速に放散するためのハニカム状のフィンを備えた多数の小さなチューブで構成され、エンジンからの熱い液体を受け取って冷却します。
• システム内に冷却剤を循環させるための、通常は遠心式の水ポンプ。
• ラジエーターに流れる冷却剤の量を変化させて温度を制御するサーモスタット。
• ラジエーターを通して冷たい空気を吸い込むファン。

燃焼プロセスでは大量の熱が発生します。熱が制御されないまま増加すると、デトネーションが発生し、エンジン外部のコンポーネントが過熱のために故障します。この影響を抑えるために、冷却剤がエンジン内を循環し、熱を吸収します。冷却剤はエンジンから熱を吸収すると、ラジエーターへと流れ続けます。ラジエーターは、冷却剤の熱を通過中の空気に伝えます。

ラジエーターは、オートマチックトランスミッションオイル、エアコン 冷媒、吸入空気を冷却するためにも使用され、時にはモーターオイルやパワーステアリングオイルを冷却するために使用される。ラジエーターは通常、フロントグリルの後ろなど、車両の前進による気流を受ける位置に取り付けられている。エンジンが中央または後部に取り付けられている場合、十分な気流を得るためにラジエーターをフロントグリルの後ろに取り付けるのが一般的であるが、これには長い冷却パイプが必要になる。あるいは、ラジエーターは、車両の上部を流れる気流または側面に取り付けられたグリルから空気を引き込むこともある。バスなどの長い車両の場合、エンジンとトランスミッションの冷却には側面の気流が最も一般的であり、エアコンの冷却には上部の気流が最も一般的である。

自動車のラジエーターは、多数の狭い通路を持つコアでつながれた一対の金属またはプラスチックのヘッダー タンクで構成されており、体積に対する表面積が大きくなっています。このコアは通常、金属シートを積み重ねて作られ、チャネルを形成するためにプレスされ、はんだ付けまたはロウ付けされています。長年、ラジエーターは真鍮または銅のコアを真鍮のヘッダーにはんだ付けして作られていました。現代のラジエーターはアルミニウムのコアを使用しており、ガスケット付きのプラスチック ヘッダーを使用することでコストと重量を節約しています。この構造は、従来の材料よりも故障しやすく、修理も容易ではありません。

初期の構造はハニカムラジエーターでした。丸いチューブを端で六角形にし、積み重ねてはんだ付けしました。チューブは端だけが接していたため、実質的には多数の空気チューブが通った固体の水タンクが形成されました。^[2]

一部のビンテージカーでは、効率は劣るものの構造がよりシンプルな、コイル状のチューブで作られたラジエーター コアが使用されています。

ラジエーターは最初、サーモサイフォン効果のみによって駆動される垂直下向きの流れを使用していました。冷却剤はエンジン内で加熱され、密度が低くなるため上昇します。ラジエーターが液体を冷却すると、冷却剤は密度が高くなり、下降します。この効果は低出力の固定エンジンには十分ですが、初期の自動車を除くすべての自動車には不十分です。自然循環の流量は非常に低いため、 すべての自動車は長年、エンジン冷却剤を循環させるために遠心ポンプを使用してきました。

通常、バルブやバッフル、またはその両方のシステムが組み込まれ、車内の小型ラジエーターを同時に作動させます。この小型ラジエーターと付属のブロワーファンはヒーターコアと呼ばれ、車内を暖める役割を果たします。ラジエーターと同様に、ヒーターコアはエンジンから熱を取り除く働きをします。このため、自動車技術者は、エンジンが過熱している場合は、メインのラジエーターを補助するために、ヒーターをオンにして高温に設定するようオペレーターにアドバイスすることがよくあります。

現代の自動車のエンジン温度は、主にワックスペレットタイプのサーモスタットによって制御されます。このサーモスタットは、エンジンが最適な動作温度に達すると開くバルブです。

エンジンが冷えているときは、サーモスタットは小さなバイパス フローを除いて閉じており、エンジンが温まるにつれてサーモスタットは冷却水の温度変化を感知します。エンジン冷却水はサーモスタットによって循環ポンプの入口に送られ、ラジエーターを迂回してエンジンに直接戻されます。水をエンジンのみに循環させることで、局所的な「ホット スポット」を回避しながら、エンジンをできるだけ早く最適な動作温度に到達させることができます。冷却水がサーモスタットの作動温度に達すると、サーモスタットが開き、水がラジエーターを流れるため、温度がそれ以上上昇するのを防ぎます。

最適温度に達すると、サーモスタットはエンジン冷却水のラジエーターへの流れを制御し、エンジンが最適温度で動作し続けるようにします。暑い日に重い荷物を積んで急な坂をゆっくり上るなどのピーク負荷状態では、エンジンがほぼ最大出力を発揮する一方でラジエーターを横切る空気流の速度が低いため、サーモスタットはほぼ全開になります。(ラジエーターは熱交換器であるため、ラジエーターを横切る空気流の速度は、ラジエーターの放熱能力に大きな影響を与えます。) 逆に、寒い夜に高速道路で軽いスロットルで高速で下り坂を走行している場合、エンジンはほとんど出力を発揮せず、ラジエーターはエンジンが発するよりもはるかに多くの熱を放散できるため、サーモスタットはほぼ閉じます。ラジエーターへの冷却水の流量が多すぎると、エンジンが過度に冷却されて最適温度よりも低い温度で動作し、燃費が低下し、排気ガスが増加します。さらに、クランクシャフトベアリングなどのコンポーネントが熱膨張を考慮して設計され、適切なクリアランスで組み合わされている場合、エンジンの耐久性、信頼性、寿命が損なわれることがあります。過冷却のもう 1 つの副作用はキャビン ヒーターの性能低下ですが、通常は、依然として周囲温度よりもかなり高い温度の空気が吹き出されます。

したがって、サーモスタットは、車両の運転負荷、速度、外気温の変化に応じて、その範囲内で常に動いて、エンジンを最適な運転温度に保ちます。

ビンテージカーには、アルコールやアセトンなどの揮発性液体が入った波形ベローズを備えたベローズ型サーモスタットが装備されていることがあります。このタイプのサーモスタットは、冷却システムの圧力が約 7 psi を超えるとうまく機能しません。現代の自動車は通常約 15 psi で動作するため、ベローズ型サーモスタットは使用できません。直接空冷エンジンでは、空気通路のフラップ バルブを制御するベローズ サーモスタットでは、この点は問題になりません。

ラジエーターのサイズやラジエーターファンの種類など、他の要因もエンジンの温度に影響します。ラジエーターのサイズ (および冷却能力) は、車両が遭遇する可能性のある最も過酷な状況 (暑い日に満載で山を登るなど) でもエンジンを設計温度に維持できるように選択されます。

ラジエーターを通過する気流速度は、放散される熱量に大きく影響します。車両速度は、エンジンの力にほぼ比例してこれに影響し、大まかな自己制御フィードバックを提供します。追加の冷却ファンがエンジンによって駆動される場合、これも同様にエンジン速度を追跡します。

エンジン駆動ファンは、多くの場合、ドライブベルトのファンクラッチによって制御され、低温時にファン速度がスリップして低下します。これにより、不必要にファンを駆動して電力を浪費することがなくなり、燃料効率が向上します。現代の車両では、冷却速度のさらなる制御は、可変速度または循環ラジエーターファンによって行われます。電動ファンは、サーモスタットスイッチまたはエンジン制御ユニットによって制御されます。電動ファンには、エンジン回転数が低いときや、渋滞時などの停止時に、良好な空気の流れと冷却効果が得られるという利点もあります。

粘性駆動と電動ファンが開発される前は、エンジンには常にラジエーターを通して空気を吸い込む単純な固定ファンが取り付けられていました。商用車やトラクターなど、高温での重労働に対応するために大型ラジエーターの設置を必要とする設計の車両は、サーモスタットがあっても、寒冷な天候で軽負荷のときには冷えてしまうことが多かったです。これは、大型ラジエーターと固定ファンがサーモスタットが開くとすぐに冷却水の温度が急激に低下するためです。この問題は、 ラジエーターブラインド（またはラジエーターシュラウド）は、ラジエーターを通る空気の流れを部分的にまたは完全に遮断するように調整できるラジエーターに取り付けられています。最も単純なブラインドは、キャンバスやゴムなどの素材のロールであり、ラジエーターの長さに沿って広げられ、必要な部分を覆うことができます。第一次世界大戦時代の王立航空機工場SE5やSPAD S.XIII単発戦闘機などの古い車両には、運転席または操縦席から調整してある程度の制御を提供できる一連のシャッターがあります。最近の車の中には、エンジン制御ユニットによって自動的に開閉され、必要に応じて冷却と空力のバランスをとる一連のシャッターを備えているものもあります。^[3]

内燃機関の熱効率は内部温度とともに上昇するため、冷却液は大気圧よりも高い圧力に保たれ、沸点が上昇します。ラジエーターの給油キャップには通常、調整された圧力リリーフバルブが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4～30psi（30～200kPa）の範囲です。^[4]

温度上昇に伴って冷却システムの圧力が上昇すると、圧力リリーフ バルブが過剰な圧力を逃がすポイントに達します。システム温度の上昇が止まると、この圧力も止まります。ラジエーター (またはヘッダー タンク) が過剰充填されている場合は、少量の液体を逃がすことで圧力を逃がします。この液体は地面に流れ落ちるか、大気圧のままの通気口付き容器に集められます。エンジンをオフにすると、冷却システムが冷えて液面が下がります。ボトルに集められた余分な液体は、メインの冷却回路に「吸い戻されて」戻る場合があります。そうならない場合もあります。

第二次世界大戦前、エンジン冷却液は通常、普通の水でした。不凍液は凍結防止のためだけに使用され、寒い天候のときのみ使用されていました。普通の水がエンジン ブロック内で凍ると、水は凍結するにつれて膨張します。この影響により、氷が膨張してエンジン内部に深刻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、より高い沸点を持つ改良型冷却剤が必要となり、グリコールまたは水とグリコールの混合物が採用されました。これにより、不凍特性を持つグリコールが採用されました。

アルミニウム合金または混合金属エンジン の開発以来、腐食防止はあらゆる地域や季節において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、エンジンが局所的または全体的に過熱する可能性があります。車両が過熱状態のまま走行すると、深刻な損傷が発生する可能性があります。ヘッド ガスケットの破損、シリンダー ヘッドまたはシリンダー ブロックの歪みやひび割れなどの故障が発生する可能性があります。温度計 (機械式または電気式) にデータを提供する温度センサーが、液体冷却剤ではなく水蒸気にさらされ、有害な誤った読み取り値を示すため、警告が出ない場合もあります。

高温のラジエーターを開けるとシステム圧力が低下し、沸騰して危険なほど高温の液体と蒸気が噴出する可能性があります。そのため、ラジエーター キャップには、キャップが完全に開く前に内部圧力を解放する機構が組み込まれていることがよくあります。

自動車用ウォーター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る。ヴィルヘルム・マイバッハはメルセデス35馬力用の最初のハニカムラジエーターを設計した。^[5]

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、つまり補助ラジエーターを装備する必要がある場合があります。2 つ目のラジエーターは、回路内でメインのラジエーターと直列に配管されます。これは、Audi 100 に初めてターボチャージャーが装備されて 200 が作られたときのケースです。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独立した小型ラジエーターであるオイルクーラーが付いています。オートマチックトランスミッション付きの車では、ラジエーターへの接続が追加されていることが多く、トランスミッションオイルの熱がラジエーター内の冷却剤に伝わります。これらは、メインラジエーターの小型版であるオイルエアラジエーターのいずれかです。より単純なものは、オイルパイプが水ラジエーター内に挿入されているオイルウォータークーラーです。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、それほど複雑ではなく、したがってより安価で信頼性の高い^[要出典]オイルクーラーで、同等の冷却効果（限度内）が得られます。あまり一般的ではありませんが、パワーステアリングフルード、ブレーキフルード、およびその他の油圧流体が、車両の補助ラジエーターで冷却されることがあります。

ターボチャージャー付きエンジンやスーパーチャージャー付きエンジンには、インタークーラーが付いている場合があります。インタークーラーは、エンジンを冷却するためではなく、吸入される空気を冷却するために使用される空対空または空対水ラジエーターです。

液冷ピストンエンジン（通常は星型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。対気速度は自動車よりも速いため、飛行中に効率的に冷却され、広い面積や冷却ファンは必要ありません。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問題に悩まされています。スピットファイアの場合はわずか7分です。 [ ^{6]これは今日の}F1カーに似ており、グリッド上でエンジンが作動したまま停止している場合、過熱を防ぐためにラジエーターポッドにダクトから空気を送り込む必要があります。

抗力の低減は、冷却システムの設計を含め、航空機設計における主要な目標です。初期の技術では、航空機の豊富な気流を利用して、ハニカム コア (多くの表面があり、表面積と体積の比率が高い) を表面実装ラジエーターに置き換えました。これは、胴体または翼のスキンに溶け込んだ単一の表面を使用し、冷却剤がこの表面の後ろのパイプを流れるようにしたものです。このような設計は、主に第一次世界大戦の航空機で見られました。

表面ラジエーターは対気速度に大きく依存するため、地上走行時に過熱しやすくなります。スーパーマリンS.6Bなどのレース用航空機は、ラジエーターがフロートの上面に組み込まれており、その性能の主な限界として「温度計で飛行する」と表現されています。^[7]

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にも使用されていました。

一般的に、ほとんどの冷却システムでは、冷却液が沸騰しないようにすることが制限されています。これは、流れの中で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です。水冷システムの場合、これは、最大熱伝達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、冬季や気温が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、圧力によって比熱容量が変化し、沸点が下がることです。この圧力は高度とともに温度低下よりも急速に変化します。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容量が低下します。これは、ターボ過給機の導入によって15,000 フィートを超える高度での快適な移動が初めて可能になった 1930 年代にはパフォーマンスの大きな制限となり、冷却設計が主要な研究分野となりました。

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圧力下で稼働させることでした。これにより、外気温度が下がり続ける間、比熱容量が一定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が向上しました。ほとんどの用途では、これにより高性能ピストン エンジンの冷却問題が解決され、第二次世界大戦期のほぼすべての液冷航空機エンジンでこの解決策が使用されました。

しかし、加圧システムはより複雑で、損傷を受けやすくもありました。冷却液は加圧されているため、冷却システムにライフル口径の弾痕が 1 つあるだけでも、液体が穴から急速に噴き出します。冷却システムの故障は、エンジン故障の圧倒的な最大の原因でした。

蒸気を扱える航空機用ラジエーターを作るのは困難ですが、不可能というわけではありません。重要な要件は、蒸気を凝縮して液体に戻してからポンプに戻し、冷却ループを完成させる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 倍である気化熱を利用できます。蒸気を過熱させることで、さらなる効果が得られる場合があります。このようなシステムは蒸発冷却器と呼ばれ、1930 年代に盛んに研究されました。

周囲温度 20 °C で動作する、その他の点では類似した 2 つの冷却システムについて考えてみましょう。全液体設計では、30 °C から 90 °C の間で動作し、熱を逃がすために 60 °C の温度差が生まれます。蒸発冷却システムは、80 °C から 110 °C の間で動作します。一見すると、温度差がずっと小さ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膨大な量の熱エネルギー (500 °C 相当) が見落とされています。実際には、蒸発バージョンは 80 °C から 560 °C の間で動作しており、有効温度差は 480 °C です。このようなシステムは、はるかに少ない量の水でも効果を発揮します。

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。蒸気は水よりも密度がはるかに低いため、蒸気を冷却するのに十分な空気の流れを供給するには、それに応じて大きな表面積が必要です。 1933年のロールスロイス ゴスホーク設計では、従来のラジエーターのような凝縮器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、航空機の翼、胴体、さらには方向舵全体に広がる蒸発冷却と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。彼らの設計を使用して数機の航空機が製造され、ハインケルHe 119とハインケル He 100など、数多くの性能記録を樹立しました。ただし、これらのシステムでは、広がったラジエーターから液体を戻すために多数のポンプが必要であり、適切に動作し続けるのが非常に困難であることが判明し、戦闘による損傷を受けやすくなりました。このシステムを開発する努力は、1940 年までにほぼ放棄されました。水よりも比熱は低いものの、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利用できるようになったことで、蒸発冷却の必要性はすぐになくなりました。

ダクト内にあ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増す。これはメレディス効果と呼ばれ、適切に設計された低抗力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、この効果から推力を得ている。この推力は、ラジエーターが収められているダクトの抗力を相殺するのに十分な大きさであり、航空機の冷却抗力をゼロにすることを可能にした。一時期、スーパーマリン スピットファイアにアフターバーナーを装備し、ラジエーター後の排気ダクトに燃料を噴射して点火する計画もあった^[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で実現される。

据置型プラントのエンジンは通常、自動車エンジンと同じようにラジエーターで冷却されます。据置型プラントによっていくつかの独特な違いがあり、ラジエーターを介した適切な空気の流れを確保して適切な冷却を確実にするためには、慎重な計画が必要です。場合によっては、冷却塔を介して蒸発冷却が使用されます。^[8]

• 冷却剤
• ヒーターコア
• インタークーラー
• 内燃機関（ICE）
• 自動車部品一覧
• 廃熱

• オペル オメガ & セネター サービスおよび修理マニュアル。ヘインズ。1996 年。ISBN 978-1-85960-342-0。

ウィキメディア・コモンズには、ラジエーターに関連するメディアがあります。

• ラジエーターの交換とトラブルシューティングガイド
• 車の冷却システムの仕組み
• パワートレイン冷却コミュニティサイト