내연기관의 열효율은 내부 온도에 따라 증가하기 때문에 냉각수는 끓는점을 높이기 위해 대기압보다 높은 압력으로 유지됩니다. 보정된 압력 완화 밸브는 일반적으로 라디에이터의 보충 캡에 통합되어 있습니다. 이 압력은 모델마다 다르지만 일반적으로 범위는 4~30psi(30~200kPa)입니다.[4]
온도가 상승함에 따라 냉각수 시스템 압력이 증가하면 압력 릴리프 밸브가 과도한 압력을 배출할 수 있는 지점에 도달하게 됩니다. 시스템 온도 상승이 멈추면 이 작업도 중지됩니다. 라디에이터(또는 헤더 탱크)가 과도하게 채워진 경우 약간의 액체가 빠져나가도록 하여 압력을 배출합니다. 이는 단순히 땅으로 배수되거나 대기압에 유지되는 통풍 용기에 수집될 수 있습니다. 엔진이 꺼지면 냉각 시스템이 냉각되고 액체 레벨이 떨어집니다. 과도한 액체가 병에 모인 경우, 이는 주 냉각수 회로로 다시 '흡입'될 수 있습니다. 다른 경우에는 그렇지 않습니다.
제2차 세계대전 이전에는 엔진 냉각수는 대개 일반 물이었습니다. 부동액은 결빙을 제어하는 목적으로만 사용되었으며 이는 추운 날씨에만 사용되는 경우가 많았습니다. 일반 물이 엔진 블록에 얼도록 놔두면 물이 얼면서 팽창할 수 있습니다. 이 효과는 얼음의 팽창으로 인해 심각한 내부 엔진 손상을 일으킬 수 있습니다.
고성능 항공기 엔진을 개발하려면 끓는점이 더 높은 개선된 냉각수가 필요했으며, 이로 인해 글리콜 또는 물-글리콜 혼합물이 채택되었습니다. 이로 인해 부동액 특성을 위해 글리콜이 채택되었습니다.
알루미늄이나 혼합금속 엔진이 개발된 이후로 부식 억제는 부동액보다 더욱 중요해졌으며, 지역과 계절을 가리지 않습니다.
건조하게 작동하는 오버플로 탱크로 인해 냉각수가 기화되어 엔진이 국부적으로 또는 전반적으로 과열될 수 있습니다. 차량을 과열된 온도로 주행하면 심각한 손상이 발생할 수 있습니다. 헤드 개스킷이 터지거나 실린더 헤드 또는 실린더 블록이 휘거나 갈라지는 등의 고장이 발생할 수 있습니다. 온도 게이지(기계식 또는 전기식)에 대한 데이터를 제공하는 온도 센서가 액체 냉각제가 아닌 수증기에 노출되어 유해한 판독값을 제공하기 때문에 경고가 없는 경우도 있습니다.
뜨거운 라디에이터를 열면 시스템 압력이 떨어지며, 이로 인해 라디에이터가 끓어오르고 위험할 정도로 뜨거운 액체와 증기가 분출될 수 있습니다. 따라서 라디에이터 캡에는 캡이 완전히 열리기 전에 내부 압력을 완화하려는 메커니즘이 포함되어 있는 경우가 많습니다.
자동차 워터 라디에이터의 발명은 칼 벤츠(Karl Benz)의 작품입니다. Wilhelm Maybach는 Mercedes 35hp용 최초의 벌집형 라디에이터를 설계했습니다.
원래 라디에이터의 크기를 늘릴 수 없는 경우 냉각 용량을 늘리기 위해 자동차에 두 번째 또는 보조 라디에이터를 장착해야 하는 경우가 있습니다. 두 번째 라디에이터는 회로의 메인 라디에이터와 직렬로 연결됩니다. 이는 Audi 100이 200을 생성하면서 처음으로 터보차저를 장착했을 때의 경우입니다. 이를 인터쿨러와 혼동하지 마십시오.
일부 엔진에는 엔진 오일을 냉각하기 위한 별도의 소형 라디에이터인 오일 쿨러가 있습니다. 자동 변속기가 장착된 자동차에는 종종 라디에이터에 대한 추가 연결이 있어 변속기 오일이 라디에이터의 냉각수로 열을 전달할 수 있습니다. 이는 메인 라디에이터의 작은 버전과 마찬가지로 오일 공기 라디에이터일 수 있습니다. 더 간단히 말하면 오일 파이프가 워터 라디에이터 내부에 삽입되는 오일-워터 쿨러일 수 있습니다. 물은 주변 공기보다 뜨겁지만 열전도율이 더 높기 때문에 덜 복잡하고 더 저렴하고 더 신뢰할 수 있는 오일 쿨러와 비슷한 수준의 냉각(한계 내)을 제공합니다. 덜 일반적으로 파워 스티어링 유체, 브레이크 유체 및 기타 유압 유체는 차량의 보조 라디에이터에 의해 냉각될 수 있습니다.
터보 차저 또는 과급 엔진에는 엔진을 냉각시키는 것이 아니라 들어오는 공기를 냉각시키는 데 사용되는 공대공 또는 공대수 라디에이터인 인터쿨러가 있을 수 있습니다.
액체 냉각식 피스톤 엔진(보통 방사형 엔진이 아닌 인라인 엔진)을 장착한 항공기에도 라디에이터가 필요합니다. 자동차보다 속도가 높기 때문에 비행 중에 효율적으로 냉각되므로 넓은 공간이나 냉각 팬이 필요하지 않습니다. 그러나 많은 고성능 항공기는 지상에서 공회전할 때 극심한 과열 문제를 겪습니다. 스핏파이어의 경우 단 7분밖에 걸리지 않습니다.[6] 이는 오늘날의 포뮬러 1 자동차와 유사합니다. 엔진이 작동 중인 상태에서 그리드에 정지했을 때 과열을 방지하기 위해 덕트 공기가 라디에이터 포드로 강제 유입되어야 합니다.
항력을 줄이는 것은 냉각 시스템 설계를 포함한 항공기 설계의 주요 목표입니다. 초기 기술은 항공기의 풍부한 공기 흐름을 활용하여 허니컴 코어(많은 표면, 표면 대 부피 비율이 높음)를 표면 장착형 라디에이터로 교체하는 것이었습니다. 이는 동체 또는 날개 스킨에 혼합된 단일 표면을 사용하며 냉각수는 이 표면 뒷면의 파이프를 통해 흐릅니다. 이러한 디자인은 주로 제1차 세계 대전 항공기에서 볼 수 있었습니다.
표면 라디에이터는 대기 속도에 크게 의존하기 때문에 지상에서 작동할 때 과열되기 쉽습니다. 플로트 상부 표면에 라디에이터가 내장된 경주용 수상 비행기인 Supermarine S.6B와 같은 경주용 항공기는 성능의 주요 한계로 "온도 게이지를 사용하여 비행하는 것"으로 설명되었습니다.[7]
표면 라디에이터는 Malcolm Campbell의 1928년 Blue Bird와 같은 몇몇 고속 경주용 자동차에도 사용되었습니다.
일반적으로 냉각 유체가 끓는 것을 허용하지 않는 것이 대부분의 냉각 시스템의 한계입니다. 흐름에서 가스를 처리해야 하는 필요성이 설계를 크게 복잡하게 만들기 때문입니다. 수냉식 시스템의 경우 이는 최대 열 전달량이 물의 비열 용량과 주변 온도와 100°C 사이의 온도 차이에 의해 제한된다는 것을 의미합니다. 이는 겨울이나 온도가 낮은 더 높은 고도에서 더 효과적인 냉각을 제공합니다.
항공기 냉각에서 특히 중요한 또 다른 효과는 비열 용량이 변하고 비등점이 압력에 따라 감소하며 이 압력은 온도 저하보다 고도에 따라 더 빠르게 변한다는 것입니다. 따라서 일반적으로 액체 냉각 시스템은 항공기가 상승함에 따라 용량이 감소합니다. 이는 터보슈퍼차저의 도입으로 처음으로 15,000피트 이상의 고도에서 편리한 여행이 가능해졌고 냉각 설계가 주요 연구 분야가 되었던 1930년대 성능에 대한 주요 제한 사항이었습니다.
이 문제에 대한 가장 분명하고 일반적인 해결책은 전체 냉각 시스템을 압력 하에서 가동하는 것이었습니다. 이는 비열 용량을 일정한 값으로 유지하는 반면 외부 공기 온도는 계속해서 떨어졌습니다. 따라서 이러한 시스템은 상승함에 따라 냉각 성능이 향상되었습니다. 이는 대부분의 용도에서 고성능 피스톤 엔진 냉각 문제를 해결했으며, 제2차 세계 대전 기간의 거의 모든 액체 냉각 항공기 엔진이 이 솔루션을 사용했습니다.
그러나 가압 시스템은 더 복잡하고 손상되기 훨씬 더 쉽습니다. 냉각 유체에 압력이 가해지면 단일 소총 구경 총알 구멍과 같이 냉각 시스템에 사소한 손상이라도 액체가 빠르게 흩어질 수 있습니다. 구멍. 냉각 시스템의 고장은 지금까지 엔진 고장의 주요 원인이었습니다.
증기를 처리할 수 있는 항공기 라디에이터를 만드는 것이 더 어렵지만 결코 불가능한 것은 아닙니다. 핵심 요구 사항은 증기를 펌프로 다시 전달하고 냉각 루프를 완료하기 전에 증기를 다시 액체로 응축하는 시스템을 제공하는 것입니다. 이러한 시스템은 증발 비열을 활용할 수 있는데, 물의 경우 이는 액체 형태의 비열 용량의 5배입니다. 증기를 과열시키면 추가적인 이득을 얻을 수 있습니다. 증발식 냉각기로 알려진 이러한 시스템은 1930년대에 상당한 연구 주제였습니다.
20°C의 주변 공기 온도에서 작동하는 유사한 두 가지 냉각 시스템을 생각해 보십시오. 완전 액체 설계는 30°C~90°C 사이에서 작동할 수 있으며 열을 운반하기 위해 60°C의 온도 차이를 제공합니다. 증발식 냉각 시스템은 80°C~110°C 사이에서 작동할 수 있습니다. 언뜻 보기에는 온도 차이가 훨씬 적은 것처럼 보이지만, 이 분석에서는 증기 생성 중에 흡수되는 엄청난 양의 열 에너지(500°C에 해당)를 간과합니다. 실제로 증발식 버전은 80°C와 560°C 사이에서 작동하며, 이는 480°C의 유효 온도 차이입니다. 이러한 시스템은 훨씬 적은 양의 물을 사용해도 효과적일 수 있습니다.
증발식 냉각 시스템의 단점은 증기를 끓는점 이하로 냉각시키는 데 필요한 응축기 영역입니다. 증기는 물보다 밀도가 훨씬 낮기 때문에 증기를 다시 식힐 수 있는 충분한 공기 흐름을 제공하려면 그에 따라 더 큰 표면적이 필요합니다. 1933년의 Rolls-Royce Goshawk 디자인은 기존의 라디에이터와 같은 콘덴서를 사용했으며 이 디자인은 항력에 심각한 문제가 되는 것으로 입증되었습니다. 독일에서 Günter 형제는 항공기 날개, 동체, 심지어 방향타 전체에 분산된 증발 냉각과 표면 라디에이터를 결합한 대체 설계를 개발했습니다. 여러 대의 항공기가 해당 설계를 사용하여 제작되었으며 특히 Heinkel He 119 및 Heinkel He 100과 같은 수많은 성능 기록을 세웠습니다. 그러나 이러한 시스템에는 분산된 라디에이터에서 액체를 반환하기 위해 수많은 펌프가 필요했으며 제대로 작동을 유지하는 것이 매우 어려운 것으로 입증되었습니다. , 전투 피해에 훨씬 더 취약했습니다. 이 시스템을 개발하려는 노력은 일반적으로 1940년에 중단되었습니다. 증발 냉각의 필요성은 물보다 비열은 낮지만 끓는점은 훨씬 높은 에틸렌 글리콜 기반 냉각제가 널리 보급되면서 곧 무효화되었습니다.
덕트에 포함된 항공기 라디에이터는 통과하는 공기를 가열하여 공기가 팽창하고 속도를 얻도록 합니다. 이것을 메러디스 효과라고 하며, 잘 설계된 저항력 라디에이터를 갖춘 고성능 피스톤 항공기(특히 P-51 Mustang)는 이로부터 추력을 얻습니다. 추력은 라디에이터가 포함된 덕트의 항력을 상쇄할 만큼 충분히 컸으며 항공기가 냉각 항력을 0으로 달성할 수 있도록 했습니다. 한때는 슈퍼마린 스핏파이어에 애프터버너를 장착하여 라디에이터 뒤의 배기 덕트에 연료를 주입하고 점화하는 계획도 있었습니다. 재연소는 주 연소 사이클의 엔진 하류에 추가 연료를 분사함으로써 달성됩니다.
