設計室冷氣關了機器就卡死？熱膨脹餘量設計法

室溫下組裝完美的精密機器，長時間運轉後卡死或出異音？多半是沒考慮熱膨脹。所有機械運轉時都會發熱，不同材料膨脹程度差很多。半導體製程設備、精密伺服系統等高精度領域，熱膨脹分析是設計階段的必做項目。CNS B 1001 也明確規定尺寸的標準溫度是 20°C。

1. 各材料的線膨脹係數（α）

• 碳鋼（SS400, S45C）：α ≈ 12 × 10⁻⁶ /°C
• 不銹鋼（SUS304）：α ≈ 17 × 10⁻⁶ /°C
• 鋁（A6061）：α ≈ 23 × 10⁻⁶ /°C——常用於散熱鰭片等部件
• 灰口鑄鐵（FC200）：α ≈ 11 × 10⁻⁶ /°C
• 因瓦合金（Invar）：α ≈ 1.2 × 10⁻⁶ /°C——光學精密儀器、半導體微影設備等必用

2. 熱膨脹量計算公式

ΔL = α × L₀ × ΔT

• 範例：鋼軸 1,000 mm，運轉溫升 80°C → ΔL = 12×10⁻⁶ × 1000 × 80 = 0.96 mm
• 鋁殼體 500 mm，相同條件 → ΔL = 23×10⁻⁶ × 500 × 80 = 0.92 mm

3. 異種材料組合的陷阱

鋼軸裝在鋁殼體裡時，膨脹差會出問題。

• 鋁膨脹更多：運轉溫度下間隙變大；冷卻時收緊。要算兩種極端情況下的配合狀態。
• 實務要點：異種材料配合務必驗證最高、最低運轉溫度下的間隙/過盈量。夏冬季溫差導致主軸卡死的失誤，常源於此項驗證缺漏。

4. 長軸跟滑動接頭設計

• 長軸（≥ 1m）：一端軸承固定（定位端），另一端允許軸向自由移動（自由端）吸收熱膨脹。兩端都固定會讓軸挫曲。
• 管路：用膨脹接頭或迴路配管。ΔT = 80°C 條件下，鋼管每公尺約膨脹 1.0 mm，不銹鋼管約 1.4 mm。石化管線設計準則中，30 m 以上長管通常規定加膨脹節。