ラジエター

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自動車のラジエター
全金属製の横流れ式

ラジエター(Radiator)とは、「放熱器」ともいわれる、熱交換器の一種である。

ひとつは、冷却水や潤滑油の冷却に用いられるもので、空冷式と水冷式がある。主に著しく熱を発生する装置、エンジンやギヤボックスなどの放熱用に使用される。作業上、水路と油路の誤接続を防ぐため、エンジンオイルやATFなどの水以外の熱交換器は、通常クーラー（オイルクーラー、ATFクーラーなど）と呼ばれ、区別されている。

もう一方は、離れた場所で加熱された媒体を放熱する、保温、暖房用である。表面積を大きくとった形状で、コルゲートタイプとフィンタイプに大別される。

ラジエータ、ラジエーターとも読書きする。なお、「ジ」を「ヂ」、「エ」を「ヱ」と記述することもある（例：ラヂエター、ラヂヱーター）。

[編集] 自動車・オートバイでのラジエター

[編集] 概要

水冷式エンジンを搭載する車種においては、エンジンで発生する過剰な熱を発散するための装置であり、アルミニウム製などのフィン付きの細管を多数並べた構造をしている。細管内部に冷却水を満たし、同じく冷却水を満たしたエンジンのウォータージャケットと接続して冷却水を循環することにより、エンジンの冷却を行う。

冷却水は加圧により100℃では沸騰しないようになっていて、より効率的にエンジンの冷却を行う。外気温が0℃を下回る環境では冷却水が凍結-膨張することで、ラジエターのみならず、シリンダーブロックをも破壊することがある。この対策として、冷却水にロングライフクーラント(LLC)や不凍液などを添加し、凍結を防止する。

冷却用ファンは気体の特性から、押し込み式に較べ、吸引式が効率に優れる。この場合も確実に吸引できるようシュラウド（覆い）の併用が望ましい。シュラウド後端からファンが顔を出すあたりに効率の良い範囲がある。

[編集] 構造

水冷自動車用放熱器の構造は、「チューブ」と「フィン」で構成された「コア」とその両側の「タンク」からなる。タンクには給水用の「キャップ」を持つものが多い。コアの取り付け方向によって、「縦流れ」と「横流れ」とがあり、効率が良いのは縦流れであるが、コアの設置角度が垂直ではない場合や配管の都合、エンジンの寿命を縮めるオーバークールを防ぐ目的の場合は横流れとする場合がある。設置条件から横流れとなった例は日産・フェアレディZ Z32型が、温度要件での例は高速巡航の多い欧州車に見られる。冷却水経路へののエア噛みを防ぐ為、縦流れ、横流れのいずれの方式でもラジエター下部の取入口（ロワーホース）から冷却水を導入し、ラジエター上部の排出口（アッパーホース）から冷却水を排出する経路を採るのが一般的である。また、多くの場合ラジエターの上端にラジエターキャップを設けエア抜きを容易にしているが、冷却水経路の設計上ラジエターキャップのみではエアの排出が困難な場合には冷却水経路にエア抜きドレンボルトを別途設けることもある。

古くはドーナツ状のタンクの輪の内側に、金属の薄板をハチの巣状に張ったものが普及し、後に水管式へと進化していった。水管式は、チューブごとにフィンが独立していたが、さらにフィンの表面積を稼ぐため、隣り合ったチューブの両方に接するよう、ジグザグ状のフィンを設けたコルゲート式へと代わり、この時代が長く続いた。最近ではすべてのチューブをストレートフィンで繋ぐ、プレート式が登場している。

冷却液の温度上昇による体積膨張で水圧が上昇すると蒸気圧の関係から水温は100度を越すようになる。そうなると外気との温度差が大きくなるため冷却効率がよくなるが、逆に水圧が高いとラジエターホースなどの冷却機器に負担がかかる。そのため、ラジエターキャップにはプレッシャーバルブが組み込まれ、冷却液の圧力が設定値以上になるとリザーバータンクに冷却液を逃がすようになっている。一般的な設定圧力が60～100kPaで、この時の液温は110～120度である。

ラジエターはエンジンを冷やすためにあるが、エンジン起動初期は早くエンジンを温める必要があるためラジエターがあると逆に問題がある。そのため、冷却回路中にサーモスタットが組み込まれ、水温が低い場合はラジエターでの冷却を行わないようにしている。

[編集] 材質

コア、タンクとも、従来は銅や真鍮が用いられており、定置型の産業機械や建設機械などでは鉄製のものも見られる。近年は軽量化とリサイクル、脱鉛（はんだやろう付けの廃止）、組み立て時間の短縮によるコストダウンに重点をおいた、アルミ製コアとOリングをはさんだ、樹脂製タンクのかしめ留めが主流となっている。現在の市販車では、前面投影面積が大きく、薄い（層の少ない、空気の抜けの良い）形状とし、銅や真鍮に比べ熱交換効率の劣るアルミコアの弱点を補っている。

従来の金属タンクの場合は繰り返し補修してリビルドすることが可能であり、鉛さえ使わなければ、資源の有効利用という点では優れている。現在、主に使われているプラスチックタンクが劣化した場合、専門業者でのタンク交換可能な場合が多い。

一方、効率を追求する中で、銅の持つ良さが再認識され、銅コアの生産量を増やすメーカーが多くなってきた。中でも、鉛を使わない「キュプロブレイズ」方式のロウ付け技術を確立した、スウェーデンのオウトクンプカッパーストリップ社は良く知られており、新車への純正採用も増えている。

銅は抗菌効果も高いため、ヒーターコアやクーラーエバポレーター（室内器）に使うことで、雑菌による悪臭を抑制できることもメリットで、この点に注目している自動車メーカーは多い。

[編集] 建物でのラジエター

住宅や施設の居住空間用鋳鉄製スチーム暖房または温水暖房のラジエター

建物においては、ラジエターは暖房装置の一種であり、熱源機から供給される蒸気または温水によって温められる。ラジエターは熱の大半を輻射および対流によって放熱する。日本ではガス会社などが販売しているもののあまり普及していない半面、欧米の集合住宅・ホテルなどでは一般的な暖房装置である。

[編集] 従来型ラジエター

従来型温水ラジエターは、くぼんだ金属製の密封容器からなり、通常平らな形をしている。温水は一方の端から供給され、対流または建物内の他の場所に設置されたポンプからの圧力により、ラジエターの最上部まで上る。

熱の放出に伴い温水は冷却され、ラジエターの最下部まで沈み、他方の端のパイプから排出される。パイプは周囲の空気と接触するために大きな表面積を有するか、またはフィンが装着されている。このためラジエター周辺の空気は暖められ、対流により室内の空気が循環するので、室内は暖められる。

ラジエターといえば写真にあるような鋳鉄製のものという固定観念も存在する。日本でも、戦前の洋風建築にはこのようなラジエターを設置したものが数多く存在する（例: 東京都庭園美術館 - 旧朝香宮邸）。しかし最近の新築建物では、銅製のパイプとアルミニウム製のフィンからなるラジエターが設置されることが多い（訳注: 欧米の場合）。

窓からの冷気を効果的に遮断するため、ラジエターはしばしば窓の直下に設置される。ラジエターには居間・事務室などの居室に設置されるもののほかに、浴室・トイレに設置されるものもある。これらの中には、タオルをかけて乾燥させるための装置としての役割を兼ねるものもある（タオルウォーマー）。

ラジエターは1855年、Franz SanGalliによって発明された。彼はセントラルヒーティングシステムを初めて生産し、ドイツおよび米国でこの発明の特許を取得した。

[編集] 蒸気式ラジエター

単パイプ蒸気式ラジエター、バスルームなど小部屋用

蒸気には、ポンプがなくても自らの圧力でパイプ内を流れるという特徴がある。このため、蒸気は電動機やポンプより前から利用されていた。蒸気は温水に比べ、摩天楼のように大きな高層の建物では供給するのがはるかに容易である。しかし、蒸気式のシステムは高温を利用するため、熱の損失が大きくなり、本質的に効率が低い。この方式は蒸気暖房やスチーム暖房と呼ばれる。

蒸気式のパイプおよびラジエターは、凝縮水が適切に排水されなければ、「スチームハンマー」と呼ばれる騒音を発しやすい。この騒音はパイプまたはラジエターの何処かをあたかも小さな金属製ハンマーで叩いた様な耳障りな金属音であり、多くの場合、音の大小や発生周期は設備の状況に依存して一定に繰り返される。これは建物が地盤などの沈下（セトリング）によって傾き、張り巡らせたパイプやラジエターが設置当時の正常な傾斜から変化したことや室温調節や昼夜の間断などより凝縮水がパイプ・ラジエター内に滞留し、再開や増量した高温の蒸気で凝縮水が再び気化し局部的に圧力が高くなり、直後に閾値を超えた圧力が解放されることに起因する音である。（→この現象の詳細は「水撃作用」を参照。）

日本ではスチーム暖房として、古くは日光金谷ホテルで一部の客室に1914年（大正3年）から、1923年（大正12年）には全館採用されたとされる^[1]。その後次第に学校、病院、役所、刑務所など多くの人が集まる施設に広く採用され、昭和年代後期頃まで使われた^[2]^[3]。同潤会アパートの中の「江戸川アパートメント」なども設置されていた例である。

[編集] ファン付きラジエター

住宅用ラジエターとしては最近、ファンを加えたラジエターが用いられるようになった。日本ではファンコンベクターと呼ばれる。サーモスタット式スイッチが温度を感知し、電気式ファンを動作させ、熱交換器に室内の空気が吹き込まれることにより、温水の熱が室内に放熱される。

このタイプの長所は、小型であること、室内を均一に暖房することができることである。短所は、ファンにより騒音が発生すること、電気の供給が必要なことである。

[編集] 床暖房

建設中、室内の床下全面に配管が設置され、その後コンクリートの層で覆われる。

欧米においても、輻射暖房のトレンドは床暖房に向かっている。床暖房では、温水は各室の全床面の下を循環する。パイプ・配管・配線は床下に埋め込まれ、室内はおだやかに加熱される。放熱面積が広いため、床は希望の室温よりわずか数度上に暖められれば足りる。結果として、対流はほとんど発生しない。このシステムは高い水準の快適性を達成できるとの評判があるが、既存の建物に後付けすることは難しい。床仕上げ材はタイルのように熱伝導性のよいものを用いることが望まれる。

en:hypocaustは、類似の原理を用いた古代ローマの暖房システムである。

[編集] パソコンでのラジエター

パーソナルコンピュータにおいては、CPUの冷却に水冷式を採用するものがあり、この場合に熱交換用のラジエターを装備する。

CPUには、従来の空冷式に用いられてきたヒートシンクの代わりにウォーターブロックを装着、ラジエターはパソコン背面などの放熱用通風孔が設けられている個所に設置、これらとポンプをそれぞれホースで繋ぎ、冷却水を循環させることによってCPUを冷やす。もちろん、同様の原理でCPU以外の部品も冷却可能である(GPUやHDDなど)。

メリット
- ケース内への熱の発散や温度上昇が減る。空冷よりも熱のコントロールがしやすい
- ファンによる冷却を行うパーツを全て水冷化することで、空冷用のファンを最小化し、騒音を限定できる。
- 適切にパーツを配置すれば、空冷よりも相対的に小さいケースで同程度の熱を処理できる。
- ヒートポンプを使った冷却ほどではないが、空冷より冷却効率は高い。
- パーツの付け方によるが、均一な冷却が可能。
デメリット
- 漏水が起こった場合、高い確率で電子部品は故障する。
- ウォーターポンプやタンクなどの定期的なメンテナンスが、必要。なかには、メンテナンスフリーの製品もある。
- 静音を目的とする場合は、ケース内の最低限のエアフローを保つ必要があるので、全てのファンを廃止することは困難。特に電源に関しては、水冷が必要なほど発熱があるのなら、ファンレスでの運用は困難である。
- 冷却水の循環用ポンプやラジエター冷却用のファンから騒音がある。後者に関しては、ケース外に巨大なラジエターを設置することで回避した製品もあるが、普通に空冷するよりも余分なスペースが必要になってしまう。
- 水冷であっても、最終的には空気と熱を交換するため、室温以下には冷却できない。