เนื่องจากประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์สันดาปภายในจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิภายใน สารหล่อเย็นจะถูกเก็บไว้ที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศเพื่อเพิ่มจุดเดือด วาล์วระบายแรงดันที่ปรับเทียบแล้วมักจะรวมอยู่ในฝาปิดเติมหม้อน้ำ ความดันนี้จะแตกต่างกันไปในแต่ละรุ่น แต่โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 4 ถึง 30 psi (30 ถึง 200 kPa) [4]
เมื่อแรงดันของระบบน้ำหล่อเย็นเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แรงดันจะไปถึงจุดที่วาล์วระบายแรงดันยอมให้แรงดันส่วนเกินระบายออก สิ่งนี้จะหยุดลงเมื่ออุณหภูมิของระบบหยุดเพิ่มขึ้น ในกรณีของหม้อน้ำที่เติมมากเกินไป (หรือถังส่วนหัว) แรงดันจะถูกระบายออกโดยปล่อยให้ของเหลวเล็กน้อยไหลออกมา สิ่งนี้อาจระบายลงบนพื้นหรือเก็บในภาชนะที่มีอากาศถ่ายเทซึ่งยังคงอยู่ที่ความดันบรรยากาศ เมื่อดับเครื่องยนต์ ระบบทำความเย็นจะเย็นลงและระดับของเหลวจะลดลง ในบางกรณีที่มีการรวบรวมของเหลวส่วนเกินไว้ในขวด ของเหลวดังกล่าวอาจถูก 'ดูด' กลับเข้าสู่วงจรน้ำหล่อเย็นหลัก ในกรณีอื่นมันไม่ใช่
ก่อนสงครามโลกครั้งที่ 2 น้ำหล่อเย็นเครื่องยนต์มักเป็นน้ำเปล่า สารป้องกันการแข็งตัวใช้เพื่อควบคุมการแช่แข็งเพียงอย่างเดียว และมักทำในสภาพอากาศหนาวเย็นเท่านั้น หากปล่อยให้น้ำเปล่าแข็งตัวในบล็อกของเครื่องยนต์ น้ำอาจขยายตัวได้เมื่อมันแข็งตัว ผลกระทบนี้อาจทำให้เครื่องยนต์ภายในเสียหายอย่างรุนแรงเนื่องจากการขยายตัวของน้ำแข็ง
การพัฒนาเครื่องยนต์อากาศยานสมรรถนะสูงจำเป็นต้องมีการปรับปรุงสารหล่อเย็นที่มีจุดเดือดสูงขึ้น ซึ่งนำไปสู่การใช้สารผสมไกลคอลหรือน้ำ-ไกลคอล สิ่งเหล่านี้นำไปสู่การใช้ไกลคอลสำหรับคุณสมบัติต้านการแข็งตัวของพวกมัน
นับตั้งแต่การพัฒนาเครื่องยนต์อะลูมิเนียมหรือโลหะผสม การยับยั้งการกัดกร่อนมีความสำคัญมากกว่าสารป้องกันการแข็งตัวในทุกภูมิภาคและฤดูกาล
ถังน้ำล้นที่ทำงานแบบแห้งอาจส่งผลให้สารหล่อเย็นระเหยกลายเป็นไอ ซึ่งอาจทำให้เครื่องยนต์ร้อนเกินไปเฉพาะจุดหรือทั่วไปได้ อาจเกิดความเสียหายร้ายแรงได้หากปล่อยให้รถวิ่งเกินอุณหภูมิ อาจส่งผลให้เกิดความล้มเหลว เช่น ปะเก็นฝาสูบแตก และฝาสูบหรือเสื้อสูบที่บิดเบี้ยวหรือแตกร้าว อาจเป็นผลตามมา บางครั้งจะไม่มีคำเตือน เนื่องจากเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ให้ข้อมูลสำหรับเกจวัดอุณหภูมิ (ทั้งทางกลหรือทางไฟฟ้า) สัมผัสกับไอน้ำ ไม่ใช่น้ำหล่อเย็น ส่งผลให้อ่านค่าผิดพลาดที่เป็นอันตรายได้
การเปิดหม้อน้ำร้อนจะทำให้แรงดันของระบบลดลง ซึ่งอาจส่งผลให้เดือดและขับของเหลวและไอน้ำร้อนที่เป็นอันตรายออกมา ดังนั้นฝาหม้อน้ำมักจะมีกลไกที่พยายามลดแรงดันภายในก่อนที่จะเปิดฝาได้เต็มที่
การประดิษฐ์หม้อน้ำรถยนต์มีสาเหตุมาจากคาร์ล เบนซ์ Wilhelm Maybach ออกแบบหม้อน้ำแบบรังผึ้งตัวแรกสำหรับ Mercedes 35hp
บางครั้งจำเป็นต้องติดตั้งหม้อน้ำตัวที่สองหรือหม้อน้ำเสริมเพื่อเพิ่มความสามารถในการทำความเย็น เมื่อไม่สามารถเพิ่มขนาดของหม้อน้ำเดิมได้ หม้อน้ำตัวที่สองต่อแบบต่ออนุกรมกับหม้อน้ำหลักในวงจร นี่เป็นกรณีที่ Audi 100 เปิดตัวเทอร์โบชาร์จครั้งแรกโดยสร้างรุ่น 200 สิ่งเหล่านี้อย่าสับสนกับอินเตอร์คูลเลอร์
เครื่องยนต์บางรุ่นมีออยล์คูลเลอร์ หม้อน้ำขนาดเล็กแยกต่างหากเพื่อระบายความร้อนน้ำมันเครื่อง รถยนต์ที่มีระบบเกียร์อัตโนมัติมักจะมีการเชื่อมต่อกับหม้อน้ำเป็นพิเศษ ทำให้น้ำมันเกียร์สามารถถ่ายเทความร้อนไปยังสารหล่อเย็นในหม้อน้ำได้ สิ่งเหล่านี้อาจเป็นหม้อน้ำแบบน้ำมันและอากาศก็ได้ เช่นเดียวกับหม้อน้ำหลักรุ่นเล็ก พูดง่ายๆ ก็คือเครื่องทำความเย็นแบบน้ำมัน-น้ำ ซึ่งมีท่อน้ำมันเสียบอยู่ในหม้อน้ำ แม้ว่าน้ำจะร้อนกว่าอากาศโดยรอบ แต่ค่าการนำความร้อนที่สูงกว่าของน้ำนั้นให้ความเย็นที่เทียบเคียงได้ (ภายในขอบเขตจำกัด) จากความซับซ้อนน้อยกว่า จึงถูกกว่าและเชื่อถือได้มากกว่า โดยทั่วไปแล้ว น้ำมันพวงมาลัยเพาเวอร์ น้ำมันเบรก และน้ำมันไฮดรอลิกอื่นๆ อาจถูกระบายความร้อนด้วยหม้อน้ำเสริมบนยานพาหนะ
เครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จหรือซูเปอร์ชาร์จอาจมีอินเตอร์คูลเลอร์ ซึ่งเป็นหม้อน้ำแบบอากาศสู่อากาศหรืออากาศสู่น้ำ ใช้เพื่อทำความเย็นประจุอากาศที่เข้ามา ไม่ใช่เพื่อทำให้เครื่องยนต์เย็นลง
เครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์ลูกสูบระบายความร้อนด้วยของเหลว (โดยปกติจะเป็นเครื่องยนต์แบบอินไลน์มากกว่าเครื่องยนต์แนวรัศมี) ต้องใช้เครื่องทำความร้อนด้วย เนื่องจากความเร็วของเครื่องบินสูงกว่ารถยนต์ จึงระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพขณะบิน จึงไม่ต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่หรือพัดลมระบายความร้อน อย่างไรก็ตาม เครื่องบินสมรรถนะสูงหลายลำประสบปัญหาความร้อนสูงเกินไปเมื่อไม่ได้ใช้งานบนพื้น - เพียงเจ็ดนาทีสำหรับเครื่องบินสปิตไฟร์ สิ่งนี้คล้ายกับรถ Formula 1 ในปัจจุบัน เมื่อหยุดบนกริดโดยที่เครื่องยนต์ทำงาน พวกเขาต้องใช้ท่ออากาศบังคับเข้าไปในกระเปาะหม้อน้ำเพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไป
การลดแรงต้านเป็นเป้าหมายหลักในการออกแบบเครื่องบิน รวมถึงการออกแบบระบบทำความเย็น เทคนิคในช่วงแรกคือการใช้ประโยชน์จากการไหลเวียนของอากาศที่เพียงพอของเครื่องบินเพื่อแทนที่แกนรังผึ้ง (พื้นผิวจำนวนมากที่มีอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรสูง) ด้วยหม้อน้ำที่ติดตั้งบนพื้นผิว โดยใช้พื้นผิวเดียวผสมเข้ากับลำตัวหรือผิวหนังปีก โดยมีสารหล่อเย็นไหลผ่านท่อที่ด้านหลังของพื้นผิวนี้ การออกแบบดังกล่าวพบเห็นได้ในเครื่องบินสมัยสงครามโลกครั้งที่ 1 เป็นส่วนใหญ่
เนื่องจากขึ้นอยู่กับความเร็วของอากาศ หม้อน้ำที่พื้นผิวจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไปเมื่อทำงานภาคพื้นดิน เครื่องบินแข่ง เช่น ซูเปอร์มารีน เอส.6บี ซึ่งเป็นเครื่องบินทะเลแข่งที่มีหม้อน้ำติดตั้งอยู่ที่พื้นผิวด้านบนของตัวลอย ได้รับการอธิบายว่า "บินโดยใช้มาตรวัดอุณหภูมิ" ว่าเป็นข้อจำกัดหลักในการปฏิบัติงาน
หม้อน้ำพื้นผิวยังถูกใช้ในรถแข่งความเร็วสูงบางคัน เช่น Blue Bird ของ Malcolm Campbell ในปี 1928
โดยทั่วไปถือเป็นข้อจำกัดของระบบทำความเย็นส่วนใหญ่ที่ของเหลวหล่อเย็นไม่ได้รับอนุญาตให้เดือด เนื่องจากความจำเป็นในการจัดการกับก๊าซในการไหลทำให้การออกแบบมีความซับซ้อนอย่างมาก สำหรับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ หมายความว่าปริมาณการถ่ายเทความร้อนสูงสุดจะถูกจำกัดโดยความจุความร้อนจำเพาะของน้ำและความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิแวดล้อมและ 100 °C ช่วยให้ระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในฤดูหนาวหรือที่ระดับความสูงที่สูงขึ้นซึ่งมีอุณหภูมิต่ำ
ผลกระทบอีกประการหนึ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในการระบายความร้อนของเครื่องบินก็คือความจุความร้อนจำเพาะและจุดเดือดจะลดลงตามความดัน และความดันนี้จะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามระดับความสูงมากกว่าอุณหภูมิที่ลดลง ดังนั้น โดยทั่วไปแล้ว ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวจะสูญเสียความสามารถในขณะที่เครื่องบินไต่ระดับ นี่เป็นข้อจำกัดสำคัญด้านประสิทธิภาพในช่วงทศวรรษปี 1930 เมื่อการนำเทอร์โบซูเปอร์ชาร์จเจอร์มาใช้ครั้งแรกทำให้สามารถเดินทางได้สะดวกที่ระดับความสูงมากกว่า 15,000 ฟุต และการออกแบบระบบทำความเย็นกลายเป็นงานวิจัยหลัก
วิธีแก้ไขปัญหาที่ชัดเจนและพบได้บ่อยที่สุดสำหรับปัญหานี้คือการใช้ระบบทำความเย็นทั้งหมดภายใต้ความกดดัน ซึ่งจะช่วยรักษาความจุความร้อนจำเพาะให้คงที่ ในขณะที่อุณหภูมิอากาศภายนอกยังคงลดลงอย่างต่อเนื่อง ระบบดังกล่าวจึงปรับปรุงความสามารถในการทำความเย็นขณะปีนขึ้นไป สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ วิธีนี้ช่วยแก้ปัญหาการระบายความร้อนของเครื่องยนต์ลูกสูบสมรรถนะสูง และเครื่องยนต์อากาศยานที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวเกือบทั้งหมดในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองก็ใช้วิธีนี้
อย่างไรก็ตาม ระบบที่มีแรงดันยังซับซ้อนกว่าและเสี่ยงต่อความเสียหายมากกว่า เนื่องจากของเหลวหล่อเย็นอยู่ภายใต้แรงดัน ความเสียหายเล็กน้อยในระบบทำความเย็น เช่น รูกระสุนขนาดปืนไรเฟิลเพียงรูเดียว จะทำให้ของเหลวพ่นออกจากถังอย่างรวดเร็ว รู. ความล้มเหลวของระบบทำความเย็นเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวของเครื่องยนต์
แม้ว่าการสร้างหม้อน้ำเครื่องบินที่สามารถรองรับไอน้ำได้ยากกว่า แต่ก็ไม่ได้เป็นไปไม่ได้เลย ข้อกำหนดหลักคือการจัดเตรียมระบบที่จะควบแน่นไอน้ำกลับเข้าไปในของเหลวก่อนที่จะส่งกลับเข้าไปในปั๊มและทำวงจรการทำความเย็นให้เสร็จสิ้น ระบบดังกล่าวสามารถใช้ประโยชน์จากความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ ซึ่งในกรณีของน้ำจะมีความจุความร้อนจำเพาะในรูปของเหลวถึงห้าเท่า อาจได้รับประโยชน์เพิ่มเติมโดยการปล่อยให้ไอน้ำร้อนยวดยิ่ง ระบบดังกล่าวเรียกว่าเครื่องทำความเย็นแบบระเหย เป็นหัวข้อของการวิจัยจำนวนมากในช่วงทศวรรษที่ 1930
พิจารณาระบบทำความเย็นสองระบบที่คล้ายกัน โดยทำงานที่อุณหภูมิอากาศแวดล้อม 20 °C การออกแบบที่เป็นของเหลวทั้งหมดอาจทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 30 °C ถึง 90 °C โดยให้อุณหภูมิที่แตกต่างกัน 60 °C เพื่อนำความร้อนออกไป ระบบทำความเย็นแบบระเหยอาจทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 80 °C ถึง 110 °C เมื่อดูเผินๆ ดูเหมือนว่าจะมีความแตกต่างของอุณหภูมิน้อยกว่ามาก แต่การวิเคราะห์นี้มองข้ามพลังงานความร้อนจำนวนมหาศาลที่ดูดซับไว้ระหว่างการสร้างไอน้ำ ซึ่งเทียบเท่ากับ 500 °C โดยพื้นฐานแล้ว รุ่นระเหยจะทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 80 °C ถึง 560 °C ซึ่งแตกต่างอุณหภูมิใช้งานจริง 480 °C ระบบดังกล่าวสามารถมีประสิทธิภาพได้แม้จะมีปริมาณน้ำเพียงเล็กน้อยก็ตาม
ข้อเสียของระบบทำความเย็นแบบระเหยคือพื้นที่ของคอนเดนเซอร์ที่ต้องใช้ในการทำให้ไอน้ำเย็นลงจนต่ำกว่าจุดเดือด เนื่องจากไอน้ำมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำมาก จึงจำเป็นต้องมีพื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นตามลำดับเพื่อให้อากาศไหลเวียนได้เพียงพอเพื่อทำให้ไอน้ำเย็นลง การออกแบบของ Rolls-Royce Goshawk ในปี 1933 ใช้คอนเดนเซอร์ที่มีลักษณะคล้ายหม้อน้ำแบบธรรมดา และการออกแบบนี้พิสูจน์แล้วว่าเป็นปัญหาร้ายแรงสำหรับการลาก ในเยอรมนี พี่น้อง Günter ได้พัฒนาการออกแบบทางเลือกที่ผสมผสานการทำความเย็นแบบระเหยและหม้อน้ำที่พื้นผิวซึ่งกระจายไปทั่วปีกเครื่องบิน ลำตัว และแม้แต่หางเสือ เครื่องบินหลายลำถูกสร้างขึ้นโดยใช้การออกแบบและสร้างสถิติด้านประสิทธิภาพจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Heinkel He 119 และ Heinkel He 100 อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้ต้องใช้ปั๊มจำนวนมากเพื่อส่งคืนของเหลวจากหม้อน้ำที่กระจายออก และพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องยากมากที่จะให้ทำงานได้อย่างถูกต้องต่อไป และอ่อนแอต่อความเสียหายจากการต่อสู้มากกว่ามาก ความพยายามในการพัฒนาระบบนี้โดยทั่วไปจะถูกยกเลิกไปในปี พ.ศ. 2483 ความจำเป็นในการทำความเย็นแบบระเหยก็ถูกปฏิเสธในไม่ช้าด้วยสารหล่อเย็นที่ใช้เอทิลีนไกลคอลซึ่งมีอยู่ทั่วไป ซึ่งมีความร้อนจำเพาะต่ำกว่า แต่มีจุดเดือดสูงกว่าน้ำมาก
หม้อน้ำเครื่องบินที่อยู่ในท่อจะให้ความร้อนแก่อากาศที่ไหลผ่าน ทำให้อากาศขยายตัวและเพิ่มความเร็ว สิ่งนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์เมเรดิธ และเครื่องบินลูกสูบสมรรถนะสูงที่มีหม้อน้ำแรงลากต่ำที่ออกแบบมาอย่างดี (โดยเฉพาะ P-51 Mustang) ก็ได้รับแรงขับจากมัน แรงผลักดันมีนัยสำคัญมากพอที่จะชดเชยการลากของท่อที่หม้อน้ำถูกปิดไว้ และทำให้เครื่องบินสามารถระบายความร้อนเป็นศูนย์ได้ จนถึงจุดหนึ่ง มีแม้กระทั่งแผนที่จะติดตั้ง Supermarine Spitfire ด้วยเครื่องเผาทำลายท้าย โดยการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในท่อไอเสียหลังหม้อน้ำและจุดไฟ การเผาไหม้ภายหลังทำได้โดยการฉีดเชื้อเพลิงเพิ่มเติมเข้าไปในเครื่องยนต์ที่อยู่ท้ายน้ำของรอบการเผาไหม้หลัก
