ラジエーター（エンジン冷却装置）

自動車用ラジエーターは、金属製またはプラスチック製のヘッダータンク2個と、多数の狭い通路を持つコアで構成されており、体積に対する表面積が非常に大きくなっています。このコアは通常、金属板を何層にも重ねてプレス加工し、溝を形成した後、ろう付けまたははんだ付けして作られています。長年にわたり、ラジエーターは真鍮製または銅製のコアを真鍮製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製のコアを採用しており、ガスケット付きのプラスチック製ヘッダーを使用することで、コストと重量を削減しています。しかし、この構造は従来の材料に比べて故障しやすく、修理も容易ではありません。

初期の構造方法としては、ハニカムラジエーターがありました。丸いチューブの両端を六角形に圧着し、それらを積み重ねてはんだ付けしました。チューブは両端でしか接触しないため、実質的には多数の空気管が通った固体の水タンクのようなものが形成されました。 ^{[ 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る。

ラジエーターは当初、自然対流による下向きの垂直流のみを利用していました。エンジン内で冷却液が加熱されると密度が低下し、上昇します。ラジエーターが冷却液を冷やすと、冷却液の密度が上昇し、下降します。この効果は低出力の定置式エンジンには十分でしたが、初期の自動車を除けば不十分でした。自然対流による流量が非常に低いため、長年にわたり、すべての自動車はエンジン冷却液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、あるいはその両方からなるシステムが組み込まれており、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それに付随する送風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、ヒーターコアもエンジンから熱を取り除くことで機能します。そのため、自動車整備士は、エンジンがオーバーヒートしている場合は、メインラジエーターの働きを補助するために、ヒーターをオンにして設定を高くするよう運転者にアドバイスすることがよくあります。

内燃機関の熱効率は内部温度の上昇とともに向上するため、冷却液は沸点を上げるために大気圧よりも高い圧力に保たれます。通常、ラジエーターの注入口には校正済みの圧力逃がし弁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、一般的には4～30psi （30～200kPa ）の範囲です。^{[ 4 ]}  

冷却システムの圧力は温度上昇に伴って上昇し、圧力リリーフバルブが作動して余分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、この作動も停止します。ラジエーター（またはヘッダータンク）に冷却液が過剰に充填されている場合は、少量の液体を排出することで圧力を逃がします。排出された液体は地面に流れ出るか、大気圧が維持される通気口付き容器に回収されます。エンジンを停止すると、冷却システムが冷却され、液面が低下します。ボトルに回収された余分な液体は、メインの冷却回路に「吸い戻される」場合もあれば、吸い戻されない場合もあります。

第二次世界大戦前は、エンジンの冷却液は通常、ただの水でした。不凍液は凍結防止のためだけに用いられ、しかも寒冷地でのみ使用されることが多かったのです。エンジン内部にただの水が凍結すると、水は凍結時に膨張します。この膨張によっ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され、グリコールまたは水グリコール混合物が採用されるに至った。これらの混合物は、グリコールの不凍特性に着目し、グリコールが広く用いられるようになった。

アルミニウム合金や混合金属エンジンの開発以来、腐食防止は不凍液よりもさらに重要になり、あらゆる地域や季節においてその重要性が高まっている。

オーバーフロータンクが空になると、冷却液が蒸発し、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。車両が過熱状態で走行し続けると、深刻な損傷につなが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ひび割れなどの故障が発生する可能性があります。場合によっては、警告が全く現れないこともあります。これは、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、液体冷却液ではなく水蒸気にさらされているため、有害な誤った値を表示してしまうためです。

熱くなったラジエーターを開けると、システム内の圧力が低下し、沸騰して危険なほど高温の液体や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備わっていることがよくあります。

自動車の水冷式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35hp用に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、または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接続されます。これは、アウディ100が初めてターボチャージャーを搭載して200になったときに起こったことです。これらはインタークーラーと混同しないでください。

エンジンによっては、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を備えているものもあります。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部があり、トランスミッションフルードがラジエーター内の冷却液に熱を伝えることができるようになっています。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場合もあれば、よりシンプルなオイル/ウォータークーラーの場合もあります。オイルパイプがウォーターラジエーター内に挿入されています。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、よりシンプルな構造で、したがって安価で信頼性の高いオイルクーラーと同等の冷却効果（一定の範囲内）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、その他の油圧フルードは、車両の補助ラジエーターによって冷却される場合もあります。

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搭載されている場合があり、これ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冷式または空冷式ラジエーターです。

抗力低減は、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の一つです。初期の技術の一つは、航空機の豊富な気流を利用して、ハニカム構造のコア（表面積対体積比の高い多数の表面）を表面実装型ラジエーターに置き換えるというものでした。これは、胴体や翼の外板に一体化した単一の表面を使用し、冷却液はこの表面の裏側にあるパイプを通って流れるというものです。このような設計は、主に第一次世界大戦時の航空機に見られました。

表面ラジエーターは対気速度に大きく依存するため、地上走行時には過熱しやすくなります。フロート上面にラジエーターを組み込んだレース用水上機であるスーパーマリンS.6Bなどのレース用航空機は、性能の主な制限要因として「温度計で飛行している」と表現されています。^{[ 7 ]}

表面ラジエーターは、マルコム・キャンベルの1928年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約となります。これは、流れの中に気体が存在すると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℃の温度差によって制限されること を意味します。このため、冬期や気温の低い高地では、より効果的な冷却が可能になります。

航空機の冷却において特に重要なもう一つの影響は、比熱容量が圧力によって変化し沸点が低下することであり、この圧力は高度の変化に伴って温度低下よりも速く変化する。そのため、一般的に、液体冷却システムは航空機の上昇に伴って冷却能力が低下する。これは、ターボ過給機の導入によって15,000フィート以上の高度での快適な飛行が可能になった1930年代には、性能上の大きな制約となり 、冷却設計は主要な研究分野となった。

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状態で運転することだった。これにより、外気温度が低下し続ける間も、比熱容量は一定に保たれた。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た。ほとんどの用途において、これは高性能ピストンエンジンの冷却問題を解決し、第二次世界大戦期の液冷式航空機エンジンのほぼすべてがこの解決策を採用した。

しかし、加圧システムは構造がより複雑で、損傷を受けやすいという欠点もあった。冷却液は加圧されているため、ライフル弾1発分の穴が開くといった軽微な損傷でも、冷却液が穴から勢いよく噴き出してしまうのだ。エンジン故障の主な原因は、圧倒的に冷却システムの不具合であった。

蒸気を扱える航空機用ラジエーターを製造するのはより困難ではあるものの、決して不可能ではない。重要な要件は、蒸気をポンプに戻して冷却ループを完成させる前に、蒸気を液体に凝縮させるシステムを提供することである。このようなシステムは、蒸発比熱を利用できる。水の場合、蒸発比熱は液体状態の比熱容量の5倍である。蒸気を過熱させることで、さらに冷却効果を高めることができる。蒸発冷却器として知られるこのようなシステムは、1930年代に盛んに研究された。

周囲温度20  ℃で動作する、それ以外は類似した2つの冷却システムを考えてみましょう。全液式冷却システムは30  ℃から90  ℃の間で動作し、60  ℃の温度差で熱を運び去ります。蒸発冷却システムは80  ℃から110  ℃の間で動作します。一見すると、温度差ははるかに小さいように見えますが、この分析では、蒸気発生時に吸収される膨大な量の熱エネルギー（500  ℃に相当）が見落とされています。実際には、蒸発式システムは80  ℃から560  ℃の間で動作し、 実効温度差は480℃になります。このようなシステムは、はるかに少ない量の水でも効果的に機能します。

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確保するには、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・ゴスホークの設計では、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、この設計は抗力に関し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、さらには方向舵全体に散在す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。彼らの設計を使用していくつか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。しかし、これらのシステムは、散在する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、適切に稼働させ続けること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いものでした。このシステムの開発努力は、1940年までに概ね放棄されていた。蒸発冷却の必要性は、比熱は低いものの沸点が水よりはるかに高いエチレングリコール系冷却剤が広く普及したことで、間もなく不要になった。

ダクト内に設置された航空機用ラジエーターは、通過する空気を加熱し、空気を膨張させて速度を増させます。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、この効果から推力を得ます。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、航空機が冷却抵抗ゼロを達成することを可能にしました。ある時点では、ラジエーターの後の排気ダクトに燃料を噴射して点火することで、マスタングにアフターバーナーを装備する計画さえありました。[ ^{8 ]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。

• 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。