加工シミュレーション技術の現状と展望：マイクロ流体シミュレーション

摘要

精密加工において，マイクロ流路（マイクロチャンネル）における流体が何らかの形で関与することが多い．たとえば，砥粒や研削をはじめ，電鋳，電子機器の冷却，マイクロヒートパイプ，マイクロ化学装置，マイクロアクチュエータなど，直接的または間接的に流体が関与している．また，関与する流体は，気体または液体の単一流体ではなく，化学反応，気液界面や液液界面，微粒子などを伴った多種多様で複雑な挙動を呈した流体であることが多い．マイクロチャンネルに対して，(1)希薄気体効果が顕在化する程度の断面寸法をもったチャンネル，(2)気液界面の曲率半径以下のチャンネル，(3) 界線領域での蒸発が顕在化する程度のチャンネル，(4)従来使用されてきた寸法以下のチャンネル，などのいくつかの定義が考えられている．今のところ，マイクロチャンネルは(4)の意味で使われていることが多いようであるが，定義に従えば，代表長さが数mm以下のマイクロメートルスケールの流路となろう．マイクロメートルスケールでは，伝熱形態は熱伝導支配となり，流動は粘性支配となる．そのような系では，熱伝達特性が非常によくなるが，逆にいえば，流体と物体との温度差を大きくするために，膨大な熱流束が必要となることを意味している．従来扱ってきた通常のマクロなスケールでは，断熱変化の仮定として熱損失を無視して扱えたものが，マイクロメートルスケールでは熱伝導による熱損失が無視できなくなる．またマクロなスケールでは，壁面の粗さに代表される壁面効果を無視することが多いが，マイクロメートルスケールでは粘性や摩擦の影響が大きいので，壁面効果を考慮する必要がある．