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借助传热模拟实现安全的可穿戴技术设计

  消费及医学类可穿戴技术的热度正逐年上升。这类设备旨在实现持续使用,如果设计不合理,设备产生的热量就会导致故障并可能烧坏设备。为避免对设备使用者造成伤害,在设计产品时必须将传热的影响考虑在内。COMSOL Multiphysics 的仿真功能使它成为了可能。

  上个月的国际消费电子展(CES) 展示了本年度即将推出的各类技术创新。可穿戴是本次大会的焦点之一,包括从用于跟踪健身状况的手环到智能手表等产品的最新进展。在各项新发明展示中,包括一种可以监控日照量的皮肤贴片,能防止紫外线伤害;一种能够向紧急联系人发出警报的服装配饰;还有一种可以跟踪婴儿生命体征的婴儿袜,将有助于防止婴儿瘁死综合症(SIDS)。

  图1、健身追踪器是一种较常见的可穿戴技术应用,设计目的在于监控您全天的体育锻炼情况。

  随着可穿戴技术的持续发展,有一系列问题急需解决。例如,这些设备将持续收集并储存我们的个人数据,因此应该极其安全。黑客们一直在尝试窃取此类数据,他们还试图控制负责健康监控及药物分配的可穿戴医疗设备,这将造成严重后果。另一个需要考虑的问题是设备的安全性。如果这些我们本应长期佩戴的设备发生过热,就可能造成烧伤。

  通过研究设备内的传热及其对人体皮肤的影响,我们可以优化可穿戴技术,实现更安全的使用。Thoratec 公司的研究团队使用COMSOL Multiphysics 和传热模拟研究了长时间佩戴后电子设备中的传热。现在让我们仔细分析一下

  如果可穿戴电子设备与皮肤的直接接触面变得比其他面更热,那它就会开始向皮肤传热,直到温度降到与另一个面相同为止。经过一段时间后,皮肤可能会因温度过高而受伤。早在20 世纪30 到40 年代,相关研究就已经确定了皮肤会在温度达到大约44C 时受伤。(您可以在该研究论文底部的参考文献部分了解更多信息。)

  如要避免皮肤伤害,电子设备就必须满足国际电工委员会 (IEC) 指定的标准。该标准列出了设备持续使用时不应超过的最高安全温度。IEC 规定的损伤阈值是43C,与上文提到的44C 的皮肤受损温度一致。标准还定义了皮肤与设备在10 分钟内的稳态接触情况。对市面上的大部分可穿戴设备而言,这是维持其正常运行所必需的时长。

  为了设计一款可以满足该标准的设备,Thoratec 公司的研究人员使用仿真预测了皮肤在接触设备时的温度。他们还分析了设备的热量收支,即设备温度在达到会伤害人体皮肤的损伤阙值前会产生多少热量。

  仿真分析的主要目的是模拟皮肤、其他各类皮下组织、设备内及周围区域的传热。团队使用Pennes 方程描述了人体内的传热。这是热传导的正则方程,但加入了一个源项,将血液流动考虑在内。注意血液本身并非热源,但当它超过或低于体温时,将分别起到热源或散热器的作用。

  在下方的模型中可以看到,人体分为四层:皮肤、脂肪、肌肉与内脏。模型还包括一个141 mm * 83 mm * 25 mm 的电子设备,设备内包括电路板、线材、电池、外壳及滞留空气。由于存在导电零件,使用热传导方程模拟了该设备。

  研究人员为皮肤、设备及衣物设定了边界条件。设备内表面与皮肤相接触,外表面与衣物相接触,中间还包括滞留空气。衣物的款式(如宽松或修身款)将影响结果。例如,与宽松的汗衫相比,修身的氨纶衬衫会将器件更紧地包裹在手腕周围,产生的温度也将不同。这里,研究人员模拟了一个紧密包围在设备外层的3 mm 厚的织物;并在模拟其中的滞留空气时加入了热传导。

  使用COMSOL Multiphysics 软件中的固体传热基本物理场接口模拟了该三维模型。对于血液热源项,研究人员直接在物理场接口的源项中输入了Pennes 方程。在您自己的仿真中,对于所有包含项的传热系数,您可以使用可用材料属性中的内置传热系数,或输入您自己的项进行更多控制,这也是这些研究人员的选择。

  此外,传热模块还包括生物组织传热接口,您可以借此对生物组织中的传热进行更高级的模拟。它支持对过热及低温执行损伤分析;还包括用于分析血液灌注、组织热效应、代谢热源等的预定义接口。

  为了计算温度阵列,研究人员选择使用用户定义传热系数而非COMSOL 软件中的系数。为此,他们使用了一组无量纲数,包括Nusselt、Rayleigh、Grashof 和Prandtl。

  团队从研究结果中发现,休息状态人体必需的核心体温是36.7 C,皮肤温度是31.7 C,环境温度为26 C。在保证电子设备安全的情况下,它最高能发出1.75 W 的热,以避免设备温度超过43 C 的损伤阙值。该条件下人体皮肤的温度应为39.4 C。研究人员还发现如果设备发出了2.75 W 的热,皮肤温度只会达到42.2 C。但部分设备零件的温度将超过49C,这是我们所不希望的,如果此时接触皮肤将可能造成危险。

  研究人员借助仿真找出了可穿戴电气设备中容许的热量收支情况。他们根据仿真结果执行了进一步优化,希望提出更安全、可持续穿戴的设计(结果见COMSOL 用户年会格勒诺布尔站2015的研究论文)。正如他们的研究所显示的,在未来的许多年中,如果能在设计可穿戴设备时持续考虑传热的影响,将能帮助培养可穿戴市场的创新并促进增长。