但是这种闭式冷却系统也有很多缺点，其中最重要的一点是蒸汽混合在冷却液中无法分离，并且水箱盖在调节系统压力时又会放进一部分空气，这样就会导致冷却系统中产生气阻，水泵的泵水量降低，使冷却效果和循环强度降低，并造成冷却系统内部的压力不稳定和冷却液的不断消耗。特别是现在的发动机强化程度越来越高，对冷却系统散热能力的要求也越来越高，这个问题越来越突出。
系统内气液不能彻底分离还会造成一个严重的问题就是气穴腐蚀。很多人对这一点不是很理解，但是它却是导致发动机损坏的一个重要因素。它的作用机理是：这些积存在冷却液中的空气是以气泡型式存在的，当这些气泡在发动机金属表面破裂时，会产生冲击力对金属造成冲击，长时间作用就会造成金属疲劳剥落，即机械剥蚀；另外，气泡中还伴有空气中的氧，它们借助于气泡破裂时放出的热量，对金属进行化学腐蚀。这种机械剥蚀和化学腐蚀共同作用，使金属表面逐渐产生麻点和穴孔，这种现象称为气穴腐蚀，简称穴蚀。这种现象最常见于气缸套、水泵叶轮等水压较低的部位，在一些柴油机上，穴蚀成了导致发动机损坏的一个重要因素。
为了克服这些缺点，聪明的汽车工程师研究出了一张带有膨胀水箱（也称为副水箱）的闭式冷却系统。这种冷却系统是在散热水箱之外，另加了一个膨胀水箱来分离蒸汽和存储冷却液。膨胀水箱通常是用透明的塑料材质制成，它的位置略高于散热水箱，一般安装在发动机舱的一角，与发动机和散热水箱有多条管路相连。它的作用是将冷却系统变成了一个永久性的封闭系统，避免了空气不断进入，减小了对冷却系统内部的氧化腐蚀；可以使冷却系统中的气液分离，保持系统内部压力的稳定，增大水泵的泵水量和减小水泵的气穴腐蚀；另外还避免了冷却液的损耗，可以在较长的时间内保持冷却系统内的水位不变（没有泄漏可以保持几年）。
这种膨胀水箱的工作原理是：在散热水箱的水套和散热器上部，容易积存空气和蒸汽的部位用水管与膨胀水箱相连，使空气和蒸汽不再直接放出到大气中，而是引导到膨胀水箱中与水分离，蒸汽冷凝成水后又通过进水管返回到了水泵的进水口，使水泵进水口出保持较高的水压，从而增大了泵水量；而积存在膨胀水箱液面以上的空气，得到了冷却，不再受热膨胀，因而变成了冷却系统内压力上升的缓冲器和膨胀空间，使系统内的压力保持稳定。
