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。

可穿戴技术：使用及注意事项

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……

可安全穿戴的电子设备

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44°C 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43°C，与上文提到的44°C 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。

研究可穿戴技术设计中的传热

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。

图2、基本模型几何，包括电子设备、部分人体以及衣物层。

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49°C，这是我们所不希望的，如果此时接触皮肤将可能造成危险。

图3、仿真结果为设备、皮肤、衣物及周围区域的温度曲线。

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。