设计安全的可穿戴技术与传热建模

逐年，可穿戴技术在消费者和医疗应用方面越来越受欢迎。这些设备旨在继续使用，但是如果设计不当，它们产生的热量可能会导致故障和燃烧。为了防止对设备用户的伤害，重要的是要在设计过程中考虑传热的影响。COMSOL多物理学的仿真功能使这成为可能。188金宝搏优惠

可穿戴技术：用途和注意事项

上个月，国际消费电子展（CES）启动了即将到来的技术创新的年度展示。可穿戴设备是活动的主要重点，表明了健身追踪手镯和智能手表的真正进步。之间许多新的发展是皮肤上的一个补丁，可以监视暴露于防止紫外线伤害的阳光，可以向紧急接触发出警报的服装珠宝，以及跟踪婴儿的生命体征以避免婴儿突然死亡综合症（SIDS）的婴儿袜子。

健身追踪器是一种常见的可穿戴技术应用程序，旨在全天监控您的体育活动。

随着可穿戴技术的不断发展，有一系列问题需要考虑。例如，这些设备不断收集和存储我们的个人数据，因此它们必须非常安全。甚至众所周知，黑客可以窃取此类数据并控制监测健康和分散医学的可穿戴医疗设备，从而导致严重后果。要考虑的另一个问题是设备的安全。如果几乎所有时间都应该穿的设备具有过热的倾向，则可能会引起燃烧。

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以安全使用。Thoratec Corporation的一个研究团队使用COMSOL多物理学和传热建模来研究188金宝搏优惠长时间磨损的电子设备中的传热。让我们仔细看看...

安全磨损的电子设备

如果可以直接接触皮肤的可穿戴电子设备比其他表面更热，则它将热量传递到皮肤，直到冷却，两面表面是相同的温度。一定的一点之后，皮肤的温度可能会变得太热并导致损伤。从1930年代和40年代开始的研究确定了皮肤损伤的温度为44°C。（请参阅末尾的参考这篇研究论文了解更多信息。）

避免对皮肤的损害意味着电子设备必须遵守来自国际电工委员会（IEC）。标准概述了构成安全使用的设备的最高温度。IEC定义的​​损伤阈值为43°C，与上述44°C的皮肤损伤温度对齐。他们还将皮肤与设备之间的稳态接触定义为十分钟。市场上大多数可穿戴设备就是这种情况，需要继续使用才能有效。

为了设计一种在此类标准范围内工作的设备，Thoratec Corporation的研究人员使用仿真来预测皮肤与设备接触时的皮肤温度。他们还调查了热预算对于该设备，它显示了它可以产生多少热量，而无需达到损害人类皮肤的损坏阈值温度。

研究可穿戴技术设计中的传热

模拟分析的主要目标是模拟皮肤和皮肤下方以及设备和周围区域中的其他组织类型的热传递。为了描述人体中的传热，团队使用了Pennes方程。这是进行热传导的常规方程式，但它包括一个考虑血流的附加源项。请注意，血液本身不是热源，但是当它在体温下或以下时，它可以分别充当热源或散热器。

查看下面的模型，我们可以看到人体分为四层：皮肤，脂肪，肌肉和内脏。它还具有电子设备，该设备的尺寸为141毫米x 83毫米x 25毫米，包括电路板，电线，电池，外壳和被困的空气。由于导电零件，因此使用热传导方程来对设备进行建模。

基本模型几何形状，由电子设备，人体的一部分和服装层组成。J. F. Hansen的图片，并从他的Comsol Conference 201188金宝搏优惠5 Grenoble摘录研究论文。

研究人员还为皮肤，设备和衣服设定了边界条件。该设备的内侧与皮肤接触，外侧的衣服以及两者之间被困的空气接触。衣服是否松散或紧身都会影响结果。例如，与松散磨损的运动衫相比，一件紧密的氨纶衬衫将握紧腕部的设备靠近您的手腕，会产生不同的温度。在这里，研究人员将衣服建模为3毫米厚的织物，紧紧戴在设备的外层上。用热传导对中间的空气进行建模。

3D模型是在Core comsol多物理学软件中使用的3D模型188金宝搏优惠固体中的传热物理接口。对于血液源术语，研究人员在该物理界面的源术语中直接进入PENNES方程。在您自己的模拟中，您可以为所有随附的物品使用可用材料属性的内置传热系数，或者像这些研究人员选择这样做的那样输入自己的条款以进行更多的控制。

此外，传热模块包括生物组织中的传热您可能使用的界面用于生物组织中传热的高级模型。它支持在热疗和体温过低的情况下损伤分析。它还具有一个预定义的界面，可用于血液灌注，对组织的热影响，代谢热源等。

为了计算温度阵列，研究人员选择包括用户定义的传热系数，而不是在comsol软件中包括。188金宝搏优惠为此，他们使用了一组无量纲的数字，包括Nusselt，Rayleigh，Grashof和Prandtl。

从他们的结果来看，团队发现了核心体温为36.7°C，31.7°C的核心体温和26°C的环境温度的必要温度。发现电子设备能够安全发射1.75 W的热量，这将使设备无法超过43°C的损伤阈值。在这种情况下，人体的皮肤温度将为39.4°C。研究人员还发现，如果该设备排放2.75 W的热量，则皮肤仍然只能达到42.2°C。但是，该设备的某些部分将上升到49°C以上，这是不希望的，触摸可能是危险的。

仿真结果显示了设备，皮肤，衣服和周围区域的温度轮廓。J. F. Hansen的图片，并从他的Comsol Conference 201188金宝搏优惠5 Grenoble摘录研究论文。

通过模拟，研究人员能够确定可穿戴电子设备的理想热预算。他们使用了这些结果，这些结果在研究论文在2015年C188金宝搏优惠omsol会议上，格勒诺布尔（Grenoble），以进一步优化安全，继续磨损的设计。正如他们的研究表明的那样，在设计可穿戴设备的同时继续考虑传热的影响将有助于在未来几年内促进可穿戴市场的创新和增长。

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