エアコンを切ると機械が止まる？熱膨張を考慮した設計法

熱膨張の見落としは現場で「初期は完璧に動いていた機械が、運転1時間後に異音」というかたちで現れる。JIS B 0410（普通公差）には基準温度20°Cが明記されているが、運転温度がそこから外れる前提の機械は設計段階で別途計算が必要だ。リニアガイドや精密機構では運転後の温度上昇が30〜50°Cに達することも珍しくなく、常温組立でゼロ隙間にしていた箇所が固着する典型例になる。温度上昇予測込みで0.05 mm程度の余裕を取るのが安全側の設計だ。

材質別の線膨張係数（基準温度20°C）

• 炭素鋼（SS400・S45C）：α ≈ 12 × 10⁻⁶ /°C
• ステンレス鋼（SUS304）：α ≈ 17 × 10⁻⁶ /°C
• アルミニウム（A6061）：α ≈ 23 × 10⁻⁶ /°C
• ねずみ鋳鉄（FC200）：α ≈ 11 × 10⁻⁶ /°C
• セラミックス（Al₂O₃）：α ≈ 7 × 10⁻⁶ /°C（精密スピンドルで採用例あり）

計算式は ΔL = α × L₀ × ΔT

• 鋼材軸1,000 mm、運転で80°C上昇 → ΔL = 12×10⁻⁶ × 1000 × 80 = 0.96 mm
• アルミハウジング500 mm、同条件 → 0.92 mm。両者の差（軸とハウジング）は0.04 mmだが、これが「軸が抜けない」を引き起こす。

異種材質の組合せ — 自動車エンジンの典型例

アルミブロック（A356）に鋼製スリーブ（S45C）を圧入する自動車エンジン構造は、量産エンジン設計の定番だ。常温で密着していても運転温度80°C超でアルミの方が大きく伸びるため、設計上は「冷間でしまり、温間で適度な隙間」になるよう公差を計算する。

長尺軸は「片端固定・反対端遊動」

• 1 m以上の軸：一端のベアリングをLocating（固定）、反対端をFloating（自由）にする。両端固定だと熱膨張で座屈または焼付き。これは装置設計の標準作法だ。
• 配管：伸縮継手やループ配管で吸収。鋼管は1 mあたり約1 mm、SUS管は1.4 mm膨張（ΔT=80°C）。