「熱膨張」は機械設計で見逃せないポイント
機械や装置を設計するうえで、
「温度変化」による部品の伸び縮み＝熱膨張は非常に重要な現象です。
金属は熱くなると膨らみ、冷えると縮むという性質があり、
この性質を無視すると、寸法不良、部品干渉、精度低下などの
トラブルが起こる可能性があります。
この記事では、初心者にもわかりやすく、
熱膨張の基本と設計での考慮ポイントを解説します。
そもそも「熱膨張」とは？
金属などの材料は、温度が上がると内部の原子が激しく振動し、
原子間の距離が広がるために体積が膨張します。
逆に温度が下がれば振動が収まり、元に戻ろうとします。
この現象はどの材料にも起こりますが、
材料ごとにどれだけ膨張するかは異なります。
その膨張のしやすさを表す値が、線膨張係数（熱膨張係数）です。
例）線膨張係数（目安）
| 材料 | 線膨張係数（×10^-6 /℃） |
|---|---|
| アルミニウム（A5052） | 約23 |
| 炭素鋼（S45C） | 約12 |
| ステンレス鋼（SUS304） | 約17 |
| 樹脂（POM） | 約100 |
アルミは鋼の約2倍、POM（樹脂）はそのさらに数倍も膨張します。
設計でよくある熱膨張の影響
クリアランスがなくなる・動かなくなる
熱で膨張して隙間（クリアランス）がゼロになり、
部品が動かなくなることがあります。
🔍 例）
スライド機構、シャフトとブッシュなど
精密寸法がズレる
精密加工部品で、
常温での公差設計だけに頼ると温度変化でズレが発生します。
🔍 例）
測定器具、カメラ機構、金型部品など
応力が発生し、割れや歪みの原因に
異なる材料を組み合わせていると、
膨張率の違いで応力が発生し、ひび割れや反りの原因になります。
🔍 例）
アルミフレームに鋼部品を固定した場合など
設計での熱膨張対策
使用温度範囲を考慮して寸法設計する
使用環境の温度変化（例：常温20℃→夏場50℃）を見越して、
部品長の変化量を予測して設計します。
計算例
\( \displaystyle ΔL=α⋅L0⋅ΔT\)
- ΔL：変化する長さ（膨張量）
- α：線膨張係数（単位：1/°C または 1/K）
- L₀：元の長さ（膨張前の長さ）
- ΔT：温度変化（最初の温度と最終温度の差）
この式によって、
温度変化に応じた材料の長さの変化を予測することができます。
\( \displaystyle ΔL=23×10^-6⋅100⋅30=約0.069mm\)
これだけでも0.07mmの誤差。精密設計では無視できません。
材料の膨張差を揃える
複数部品を組み合わせるときは、
線膨張係数が近い材料同士を選ぶことで、歪みや応力を抑えられます。
フローティング構造やスリットで逃がす
膨張を許容するように、片側固定＋片側自由にしたり、
スリットやガタを設けて膨張分を逃がす構造にします。
公差設定に余裕を持つ
クリアランスを設ける場合、
最大温度でも干渉しないように寸法公差を設計します。
熱膨張対策は“設計”だけじゃない！
～温度変化のない環境づくりが安定稼働のカギ～
機械設計では「熱膨張」に注意が必要！
機械や装置の部品は、温度が上がるとわずかに膨張し、
温度が下がると収縮します。
この現象を「熱膨張」といいます。
たとえば、金属の部品ではわずかな温度変化でも
0.1mm以上の寸法変化が起きることがあります。
精密な機構になるほど、この変化が原因で
「ズレる・当たる・動かない」などのトラブルにつながります。
設計者は、まず熱膨張を「避けられないもの」として考える
熱膨張は、材料の持つ物理的な性質。
つまり、どんなにうまく設計しても、温度が変われば必ず起きる現象です。
だからこそ多くの設計では、
といった熱膨張を吸収する工夫が必要になります。
しかし、もう一つ重要な視点があります。
対策そのものを“不要”にする考え方
それが「温度変化の少ない環境づくり」
そもそも温度が変わらなければ、熱膨張は起こらない。
これは非常にシンプルですが、とても有効な発想です。
つまり、熱膨張対策の最も根本的な方法は、
部品や装置が使われる環境の温度を一定に保つことです。
温度変化のない環境づくりの方法
恒温室（こうおんしつ）の活用
精密測定や高精度加工が行われる現場では、
20℃前後で安定した温度に保たれた「恒温室」が使われます。
機械や材料の膨張収縮を抑え、安定した作業が可能になります。
🔍 例）
金型部品の仕上げ加工、検査室での寸法測定など
断熱材や遮熱対策を装置に施す
周囲の熱の影響を受けにくくするために、
といった方法で、急激な温度変化を防ぎます。
空調や冷却ファンで温度安定化
屋内工場でも夏と冬では温度が大きく異なるため、
などの環境制御も大切です。
温度変化を軽視するとどうなる？
寸法誤差により組付け不良や軸の固着
精密機器の測定精度がばらつく
違う材質同士で応力がたまり、ひび割れや反り
長期間で見ると、寿命や性能にも悪影響
つまり、熱膨張の影響は小さな誤差の積み重ねで、
大きなトラブルにつながるのです。
設計と環境の“両輪”で対策しよう！
熱膨張を完全になくすことはできませんが、
この両方を組み合わせることがベストです。
特に、高精度が求められる機械や長時間連続運転する装置では、
「環境づくり」の重要性は非常に高くなります。
温度が安定すれば、すべてが安定する
熱膨張は物理現象ですが、それを設計で吸収するか、
発生させないようにするかは設計者の工夫次第。
機械がいつでも同じ動作、同じ精度で動いてほしいなら、
環境の温度を一定に保つことは欠かせません。
それはまさに、見えない部分の「安定性設計」なのです。
まとめ：熱膨張を「無視しない」ことがトラブル回避の第一歩
温度変化による膨張・収縮は、すべての材料に起こる自然な現象です。
特に、可動部品や異種材を組み合わせる装置では、
熱膨張を意識しないと精度・強度・信頼性すべてに悪影響を及ぼします。
熱膨張はトラブルの元にもなりますが、逆に言えば、
「知って設計に活かせば強い味方」になります。
プロの設計者は必ず、「使う温度」を見越して考える。
これが、トラブルのない安定設計への第一歩です。
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