王宜馨，王洪亮，施錦瑋，皮大偉，王顯會(huì)

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

在抗擊2020年初新冠肺炎疫情時(shí)，為防止病菌感染醫(yī)務(wù)工作者，醫(yī)務(wù)人員不得不依次穿戴醫(yī)用防護(hù)口罩、一次性帽子或布帽、工作鞋襪、防護(hù)服或隔離衣、加戴一次性帽子和一次性醫(yī)用外科口罩、防護(hù)眼鏡、手套、鞋套[1]。由于防護(hù)眼鏡密閉性強(qiáng)、內(nèi)外溫差大，鏡內(nèi)水汽無法順利排出，致使鏡內(nèi)水蒸氣在鏡面遇冷后凝結(jié)成水珠附于鏡面而嚴(yán)重干擾使用者視線。同時(shí)，醫(yī)務(wù)人員需要連續(xù)工作6小時(shí)以上，現(xiàn)有護(hù)目鏡除霧時(shí)間短而不能滿足醫(yī)務(wù)人員的工作需求，甚至不得不中斷工作，因此一種可以長時(shí)間除霧且效果穩(wěn)定的除霧方法成為研究熱點(diǎn)。

一線醫(yī)務(wù)人員常用的除霧方法有:采用防霧噴劑涂抹、碘酒涂抹、洗手液涂抹等處理方法，但因?yàn)槊總€(gè)人的面部與口罩貼合度不同，存在熱氣從口罩邊緣溢出的可能，因此除霧時(shí)效并不能得到保障[2，3]。AlJasser Mohammed I則利用兩片膠帶使鼻腔部位的口罩完全貼合使用者面部[4]。前述方法只是延長水霧附著在鏡片上的時(shí)間，并不能從根本上實(shí)現(xiàn)除霧效果。針對(duì)除霧問題，聶廣藝等采用在護(hù)目鏡邊緣添加加熱條，且將護(hù)目鏡加熱至36 ℃的方法阻止水分液化，以此達(dá)到除霧的目的[5]。這一方法雖能實(shí)現(xiàn)除霧效果，但除霧范圍有限，并不能完全解決視線范圍內(nèi)起霧問題。為擴(kuò)大除霧面積，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)將嵌入氧化鈦中的金納米粒子的涂層涂抹在鏡片上，通過捕捉太陽光外的紅外線部分和一部分可見光來加熱表面，防止水珠凝結(jié)，此過程無需電源加熱。譚麗芳等[6]則利用單層石墨有極高熱導(dǎo)率這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)單層石墨烯除霧器，該除霧器在飽和溫度與響應(yīng)時(shí)間方面優(yōu)于氧化銦錫(Indium tin oxide，ITO)薄膜或金屬除霧器。上述除霧方法受到使用環(huán)境與制造成本的制約，除霧效果并不持久且環(huán)境適應(yīng)性不佳。經(jīng)分析現(xiàn)有除霧措施的缺點(diǎn)，本文將綜合考慮除霧時(shí)效與制作成本等問題，參考汽車擋風(fēng)玻璃除霧系統(tǒng)中氧化銦錫導(dǎo)電玻璃除霧原理，研究以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)為基膜的ITO薄膜來加熱護(hù)目鏡鏡片的加溫除霧技術(shù)。

為滿足護(hù)目鏡在不同室溫環(huán)境下均可使用，并兼顧節(jié)能的需求，本文將利用仿真軟件對(duì)使用中的護(hù)目鏡溫度場進(jìn)行分析。辛傳奇等[7]利用ANSYS軟件模擬分析加熱溫度場下鋁箔密封的傳熱特性，得到了各種密封情況對(duì)應(yīng)的溫度場圖像及溫度曲線。鄒波等[8]針對(duì)日照作用下混凝土雙室箱梁的溫度場分布展開有限元模擬分析，研究了不同時(shí)刻時(shí)軌道梁截面的溫度分布規(guī)律，得到了箱梁在不同時(shí)刻的溫度云圖。以上研究均證明，利用ANSYS軟件可以研究不同環(huán)境溫度下護(hù)目鏡使用過程中溫度場的變化。本文將利用ANSYS軟件分析不同條件下護(hù)目鏡的溫度場圖像與溫度云圖，獲得使用護(hù)目鏡時(shí)所處環(huán)境的溫度與除霧參數(shù)之間的關(guān)系，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

為實(shí)現(xiàn)長時(shí)間且穩(wěn)定除霧的要求，本文將首先通過原理分析與理論計(jì)算設(shè)計(jì)利用ITO薄膜加熱的醫(yī)用護(hù)目鏡除霧裝置;其次建立人體面部模型，使用ANSYS 中溫度場分析模塊分析不同室溫下護(hù)目鏡外表面加熱膜加熱前后的溫度;最后根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)試驗(yàn)，驗(yàn)證所提出的加溫除霧技術(shù)是否能夠達(dá)到長時(shí)間有效除霧的目的。

1 除霧裝置設(shè)計(jì)

1.1 基本功能與原理

利用ITO薄膜加熱護(hù)目鏡鏡片，可以除去因環(huán)境溫度低而凝結(jié)在護(hù)目鏡內(nèi)鏡片上的水珠，為醫(yī)務(wù)人員提供清晰的視野，解決因護(hù)目鏡起霧而降低工作效率的問題，也可達(dá)到無需摘下護(hù)目鏡即可除霧的目的，降低醫(yī)務(wù)人員被感染的幾率。根據(jù)使用環(huán)境的不同，醫(yī)務(wù)人員可選擇與當(dāng)前環(huán)境溫度相適用的除霧檔位，除霧時(shí)間則由提供電能的移動(dòng)電源所儲(chǔ)電量決定，若使用電池容量為10 000 mAh的移動(dòng)電源供電，可保持除霧時(shí)間達(dá)9小時(shí)以上，即使用該技術(shù)的護(hù)目鏡能擁有長時(shí)間、高效除霧的功能。

ITO薄膜加溫除霧技術(shù)的原理是利用ITO薄膜連接到電路而產(chǎn)生的熱量對(duì)鏡片進(jìn)行加熱，通過防止鏡內(nèi)水蒸氣液化而達(dá)到除霧的目的。除霧裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置可采用多種供電方式，如采用薄膜太陽能電池[9]可滿足節(jié)能環(huán)保的要求，但考慮到供電穩(wěn)定性和使用環(huán)境限制，該裝置電路由輸出5 V直流電壓的移動(dòng)電源來提供電能。

圖1 基本原理圖

1.2 基本構(gòu)成

1.2.1 護(hù)目鏡

醫(yī)用多功能護(hù)目鏡由鏡片、鏡架組成，鏡架材質(zhì)無特殊要求。以光學(xué)樹脂、聚碳酸脂(Polycarbonate，PC)或聚甲基丙烯酸甲脂(亞克力)為鏡片材料。本文以適用范圍最廣的鏡片材料，即聚碳酸脂為試驗(yàn)對(duì)象。該材料熔點(diǎn)為220～230 ℃，未填充牌號(hào)的熱變形溫度大約為130 ℃，玻璃纖維增強(qiáng)后可使熱變形溫度達(dá)到140 ℃，耐熱性好。護(hù)目鏡常見厚度為2 mm與2.3 mm，本次研究所使用的護(hù)目鏡厚度為2.3 mm。PC的導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.2 W/(m·K)。

1.2.2 ITO薄膜

ITO 薄膜是一種以PET膜為基膜的半導(dǎo)體透明薄膜，其加溫過程指給ITO薄膜通電時(shí)，導(dǎo)電涂層使電流流動(dòng)產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量取決于薄膜和母線的幾何形狀、施加的電壓以及VC系列涂層的薄層電阻等因素。由于ITO薄膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，常被用作汽車擋風(fēng)玻璃除霧加熱膜?？紤]到ITO薄膜已具有成熟的制作方法，因此較于其他加熱膜制造成本較低，故選擇其為護(hù)目鏡鏡片加熱膜。參考常用普通眼鏡尺寸，選擇加熱面積為33 mm*30 mm*2。

1.3 研究內(nèi)容

除霧裝置為滿足長時(shí)間有效除霧的要求，綜合考慮護(hù)目鏡使用環(huán)境與方式的差異性，首先分析不同環(huán)境溫度下的熱量遷移過程，并通過理論計(jì)算獲得熱量遷移后的護(hù)目鏡外表面溫度，并計(jì)算經(jīng)加熱、散熱過程后護(hù)目鏡外表面的溫度，最后獲得不同環(huán)境下的表面換熱系數(shù)以供后續(xù)仿真使用。

1.3.1 熱量遷移過程

為獲取加熱單元溫度、檔位阻值、室溫之間的關(guān)系，將利用復(fù)合面熱量遷移原理描述室溫與護(hù)目鏡內(nèi)腔溫度對(duì)鏡面溫度的影響，將試驗(yàn)簡化為加熱單元在不同初溫下加熱至除霧溫度所產(chǎn)生的溫度差與檔位阻值的關(guān)系。熱量遷移原理如圖2所示，圖中T為加熱膜外側(cè)溫度，Tout為護(hù)目鏡外側(cè)溫度，Tin為護(hù)目鏡內(nèi)側(cè)溫度。

圖2 熱量遷移原理

圖2(a)為未加熱狀態(tài)下護(hù)目鏡內(nèi)腔熱量擴(kuò)散至鏡片，并與室溫進(jìn)行熱量交換的過程;圖2(b)為加熱后熱量向兩個(gè)方向遷移并與室溫進(jìn)行熱交換的過程。由于檔位阻值的變化會(huì)引起回路電流的變化，則試驗(yàn)最終可簡化為加熱膜溫升與回路電流之間的關(guān)系。設(shè)護(hù)目鏡內(nèi)側(cè)鏡片溫度為Tin=38℃，導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.2W/(m·K)，厚度為D1=2.3mm，熱量遷移率為H1。導(dǎo)熱系數(shù)為λ2=0.2W/(m·K)，厚度為D2=0.175mm，熱量遷移率為H2，中間接觸面溫度為Tout，則熱量遷移結(jié)果為

(1)

(2)

熱量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)

H1=H2

(3)

將式(1)～(3)代入后得

(4)

式(4)變形后得

(5)

1.3.2 加熱過程

試驗(yàn)中采用直流電源對(duì)加熱回路進(jìn)行供電，并以恒定功率加熱，當(dāng)回路接入檔位電阻為Rr時(shí)，回路加熱功率為

Ph=I2R

(6)

式中:電流I的計(jì)算公式為

(7)

式中:R為加熱單元總阻值。

1.3.3 散熱過程

不同環(huán)境溫度下散熱過程的差異主要表現(xiàn)在散熱效率的不同。散熱效率指表面溫度變化前后的溫差與散熱面積、表面換熱系數(shù)的積。表面換熱系數(shù)表示所圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面與附近空氣之間的溫差為1℃，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積轉(zhuǎn)移的熱量，單位為W/(m2·℃)。表面換熱系數(shù)αT為該表面對(duì)流換熱系數(shù)αC與該表面輻射換熱系數(shù)αR之和為

αT=αC+αR

(8)

(1)表面對(duì)流散熱系數(shù)αC可計(jì)算為

αC=2.5×10-4ΔT0.25

(9)

(2)表面輻射散熱系數(shù)αR可計(jì)算為

(10)

式中:Tk為加熱單元表面升溫后的溫度，T0為加熱單元表面原始溫度，也可近似看作導(dǎo)電膜中間接觸面溫度Tx，則溫差ΔT=Tk-T0。kR為表面輻射系數(shù)，輻射系數(shù)是某物體單位面積輻射的熱量和黑體在相同溫度、相同條件下的輻射熱量之比，輻射系數(shù)反映的是某物體吸收或反射熱量的能力。

因此，考慮散熱后的加熱功率為P=Ph-αT*A*ΔT。本文的研究對(duì)象為加熱膜溫升與回路電流之間的關(guān)系，據(jù)此，本文應(yīng)對(duì)護(hù)目鏡進(jìn)行三維建模，并根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果在ANSYS中選擇合適的邊界條件進(jìn)行溫度場分析，以獲得合適的除霧參數(shù)，為后續(xù)試驗(yàn)提供合理的試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。

2 溫度場分析

根據(jù)前述分析可知，某環(huán)境溫度下加溫薄膜的溫升與回路電流之間的關(guān)系即代表對(duì)應(yīng)的除霧條件。但由于實(shí)際試驗(yàn)條件限制，并不能獲得所有試驗(yàn)條件下薄膜加溫前后溫度的變化情況，因此，本文采用ANSYS軟件中的溫度場分析模塊模擬護(hù)目鏡實(shí)際使用時(shí)的溫度變化過程。首先使用三維繪圖軟件CATIA繪制所需的護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)模型，僅取人臉部與護(hù)目鏡接觸部分及護(hù)目鏡本身作為模型，在仿真過程中，由于人體面部結(jié)構(gòu)變化對(duì)加熱位置的初溫并無較大影響，則忽略面部特征變化，同時(shí)添加加熱薄膜模型，建模結(jié)果如圖3所示;其次通過設(shè)置仿真參數(shù)模擬護(hù)目鏡使用環(huán)境，獲得不同室溫下ITO薄膜加熱前的溫度;最后根據(jù)前述模擬條件，獲得不同室溫下護(hù)目鏡鏡片內(nèi)部加熱至除霧時(shí)的ITO薄膜表面溫度。

圖3 護(hù)目鏡三維實(shí)體結(jié)構(gòu)建模

2.1 邊界條件設(shè)置

ANSYS中的溫度場模塊包括定義單元類型、定義材料屬性、建立幾何模型、設(shè)置單元密度、劃分單元、施加對(duì)流換熱載荷、施加初始溫度、設(shè)置求解選項(xiàng)等內(nèi)容。將呼氣與人體散熱等因素產(chǎn)生的熱量共同作為仿真時(shí)的恒溫?zé)嵩?，取參考溫?7 ℃。模型處在室溫中，存在熱對(duì)流、熱輻射、熱傳導(dǎo)三類邊界條件。對(duì)流面選擇除恒溫加熱面外的鏡面與輪廓面。進(jìn)氣流速和溫度可以通過改變對(duì)流換熱系數(shù)來進(jìn)行設(shè)置，該系數(shù)采用前述理論計(jì)算中的表面對(duì)流換熱系數(shù)。在經(jīng)過前處理設(shè)置后進(jìn)行數(shù)值求解，結(jié)果收斂后則通過后處理查看模擬計(jì)算結(jié)果。

2.2 室溫下護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)溫度分析

當(dāng)設(shè)置模擬室溫為20 ℃時(shí)，仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，因恒溫源加熱與環(huán)境的影響，護(hù)目鏡表面溫度呈階梯分布，且距離加熱源越遠(yuǎn)表面溫度越低;薄膜溫度接近室溫。將不同室溫條件代入仿真分析模型，取與薄膜接近的護(hù)目鏡外鏡面溫度為有效值，并將不同溫度時(shí)的室溫與鏡片外溫度以折線圖方式表達(dá)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，護(hù)目鏡表面溫度接近于使用時(shí)的環(huán)境溫度，即與室溫成正比。通過室溫下護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)溫度分析可知，加熱前薄膜溫度與鏡面溫度均近似等于使用時(shí)的室溫。

圖4 20 ℃室溫下熱量遷移結(jié)果

圖5 不同室溫下熱量遷移結(jié)果

2.3 ITO導(dǎo)電膜加熱后鏡片內(nèi)外溫度分析

常見除霧裝置所設(shè)除霧溫度約為39 ℃，為確保內(nèi)鏡片溫度上升至39 ℃達(dá)到除霧目的，加熱膜溫度應(yīng)保持在39～40 ℃。本節(jié)延用上一節(jié)不同溫度所對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，并設(shè)置加熱膜初始溫度，將經(jīng)過自然對(duì)流直至鏡片內(nèi)外溫度達(dá)到平衡后所獲得的溫度作為加熱后的加熱膜溫度。設(shè)置模擬室溫條件為20 ℃結(jié)果表明，當(dāng)透明加熱膜溫度為40 ℃時(shí)，護(hù)目鏡內(nèi)表面溫度為39.3 ℃，鏡面溫度自加熱膜位置向邊緣逐漸降低，側(cè)面輪廓溫度略高于室溫。當(dāng)加熱膜溫度為39.5 ℃時(shí)，護(hù)目鏡內(nèi)表面溫度為39.1 ℃，模型溫度變化規(guī)律與上述結(jié)果一致。綜合以上仿真結(jié)果，室溫條件為20 ℃所對(duì)應(yīng)加熱膜溫度為40 ℃，內(nèi)鏡面溫度也可保持在39 ℃左右，既能實(shí)現(xiàn)有效除霧也能兼顧節(jié)能要求。修改仿真參數(shù)重復(fù)以上試驗(yàn)，獲得不同室溫下加熱膜溫度與內(nèi)側(cè)鏡片溫度。結(jié)果表明，加熱膜溫度與鏡片內(nèi)側(cè)溫度的溫差關(guān)系并不隨所處環(huán)境溫度的變化而變化，僅需控制加熱膜溫度，即可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間除霧的要求。因此加熱除霧的關(guān)鍵在于保持穩(wěn)定的有效除霧溫度。

3 性能驗(yàn)證試驗(yàn)

本次試驗(yàn)分別對(duì)不同室溫下加溫前與加溫至除霧后的薄膜溫度進(jìn)行測量，加溫前薄膜溫度的測量結(jié)果用來驗(yàn)證室溫下仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，而加熱至除霧后所測量的薄膜溫度可以檢驗(yàn)除霧溫度與除霧效果的合理性。薄膜溫度的測量將采用多次測量采樣點(diǎn)溫度的方式實(shí)現(xiàn)，采樣點(diǎn)在加溫薄膜的布局如圖6所示，每個(gè)加溫薄膜均勻分布三行四列共12個(gè)溫度采樣點(diǎn)，由于傳熱后熱量由高溫段傳至低溫段，因此有效加熱溫度取高溫段溫度平均值。通過分析采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲得加熱前后護(hù)目鏡鏡片溫升與對(duì)應(yīng)串聯(lián)電阻值的散點(diǎn)圖，數(shù)據(jù)處理后獲得不同室溫所對(duì)應(yīng)的串聯(lián)檔位電阻值，并根據(jù)室溫劃分加熱檔位，實(shí)現(xiàn)既能有效除霧也可以兼顧節(jié)能的要求。

圖6 加熱單元采樣示意圖

3.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)第2節(jié)的分析，由于一次性醫(yī)用護(hù)目鏡不易進(jìn)行試驗(yàn)條件的模擬，故采用水箱與厚度同護(hù)目鏡鏡片相同的PC板模擬佩戴護(hù)目鏡的環(huán)境。本次試驗(yàn)使用的材料有水箱、PC板(130 mm×105 mm×30 mm)、導(dǎo)線若干、電源線、方阻為6 Ω/cm2的ITO薄膜兩片(33 mm×30 mm×1.75 mm)、輸出電壓為5 V的移動(dòng)直流電源、透明導(dǎo)電膠、恒溫加熱棒、測溫儀、萬用表等。試驗(yàn)環(huán)境為通風(fēng)良好的室內(nèi)。

3.2 試驗(yàn)過程

3.2.1 室溫下護(hù)目鏡溫度分布

本試驗(yàn)?zāi)M護(hù)目鏡使用情況:試驗(yàn)人員佩戴一次性醫(yī)用口罩，并捏緊密封條，將護(hù)目鏡戴于眼部，使其與面部緊密貼合。鼻托與鼻梁緊密接觸，并使部分口罩處于護(hù)目鏡內(nèi)腔，防止因佩戴時(shí)間過長，口罩與面部間隙大而造成污染。由于試驗(yàn)人員肺活量不同或面部結(jié)構(gòu)有所差異，呼出的部分氣體由護(hù)目鏡下部進(jìn)入內(nèi)腔，使得護(hù)目鏡內(nèi)部溫度與濕度增加，并隨時(shí)間推移而出現(xiàn)起霧現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)者在室溫為23 ℃、通風(fēng)良好的室內(nèi)佩戴護(hù)目鏡一小時(shí)后進(jìn)行測量，即對(duì)貼附在鏡片上的加熱單元中每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行溫度采樣，采樣點(diǎn)布置如圖6所示，其結(jié)果如圖7所示:護(hù)目鏡鼻部區(qū)域溫度略高于其他部位，溫度由中間向邊緣逐步降低，平均溫度接近于室溫，右側(cè)圖例代表溫度變化。結(jié)果表明，該測量區(qū)域溫度變化范圍在23～25 ℃，考慮測量誤差后，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果近似吻合。

3.2.2 除霧效果驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同室溫條件均能實(shí)現(xiàn)除霧的目的，需獲得準(zhǔn)確的除霧溫度與實(shí)現(xiàn)該除霧溫度所需的串聯(lián)檔位電阻值。通過分析加熱前后所獲得的溫差以及檔位電阻值，獲得溫升與阻值的計(jì)算公式，為后續(xù)劃分檔位提供支持。

試驗(yàn)過程如圖8所示。首先為恒溫加熱器通電，使得水箱密閉空間氣體溫度上升至37～38 ℃。改變串聯(lián)電阻值、利用測溫儀獲得護(hù)目鏡在該電流時(shí)某室溫下護(hù)目鏡表面溫度，繼續(xù)改變串聯(lián)電阻值直至恰好除霧，每次改變阻值都需記錄12個(gè)測量點(diǎn)阻值與溫度(每個(gè)點(diǎn)測3次求平均值并記錄)。然后改變環(huán)境溫度獲得多組加熱單元溫度與回路電流之間的關(guān)系。最后綜合分析因素，并總結(jié)具有普遍性的加熱單元溫度與回路電流之間的關(guān)系。當(dāng)室溫為27 ℃時(shí)試驗(yàn)現(xiàn)象如圖9所示。串聯(lián)電阻值為0 Ω時(shí)，加熱單元對(duì)應(yīng)鏡片完全除霧且除霧面積大于加熱單元面積;串聯(lián)電阻值為9 Ω時(shí)，除霧面積有所減小且出現(xiàn)較小面積的水霧;串聯(lián)電阻值為10 Ω時(shí)，加熱單元對(duì)應(yīng)區(qū)域充滿水霧，因此9 Ω是該室溫下最佳阻值。以同樣方式在室溫19 ℃時(shí)對(duì)其測量，結(jié)果表明3.7 Ω為最佳阻值。

圖8 試驗(yàn)步驟圖

圖9 不同串聯(lián)電阻值所對(duì)應(yīng)除霧效果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.3.1 ITO薄膜對(duì)溫度的響應(yīng)

試驗(yàn)中測量了環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)ITO薄膜上同一測量點(diǎn)在開始和停止加熱時(shí)溫度的變化。如圖10所示，電流在開始加熱時(shí)溫度上升較快但并未達(dá)到穩(wěn)定值，加熱時(shí)間延長后則達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值但有所波動(dòng)(加熱與散熱達(dá)到平衡)。當(dāng)停止加熱后，薄膜溫度在只有散熱時(shí)降低。同時(shí)通過對(duì)多點(diǎn)測量發(fā)現(xiàn)，薄膜溫度處于穩(wěn)定時(shí)呈階梯分布，如圖11所示。需要注意的是當(dāng)最高行平均溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，薄膜在加熱位置可實(shí)現(xiàn)有效除霧，右側(cè)圖例代表溫度變化。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明ITO薄膜可以作為有效除霧且效果穩(wěn)定的加熱單元。

圖10 ITO薄膜加熱溫度對(duì)時(shí)間的響應(yīng)

圖11 ITO薄膜加熱后的溫度分布

3.3.2 加熱絲的布置方式對(duì)加熱效果的影響

在同一加熱電流下，加熱絲的不同設(shè)計(jì)方式對(duì)加熱效果會(huì)有影響。為了驗(yàn)證加熱時(shí)加熱絲放置方式是否會(huì)對(duì)薄膜導(dǎo)熱產(chǎn)生影響，所以設(shè)計(jì)兩種不同的放置方式，即垂直放置與水平放置，如圖12所示。對(duì)兩種布置方式加熱相同電流后，垂直放置方式在除霧條件相同的情況下有水霧殘留，除霧效果略遜于水平放置方式，且布線較為繁瑣，故試驗(yàn)中采取水平放置方式。

圖12 加熱絲的布置形式

3.3.3 ITO薄膜表面溫升與加熱電流之間的關(guān)系

ITO薄膜加熱后的溫度通過測溫儀直接測量，其誤差范圍為±2 ℃。試驗(yàn)中對(duì)同一測量點(diǎn)測量3次，結(jié)果取平均值。所使用串聯(lián)電阻值無法直接讀數(shù)，選擇使用萬用表進(jìn)行阻值測量，其精度為±(1.0%+2)，回路電流也使用其直接讀數(shù)，其精度為±(1.0%+2)。將試驗(yàn)過程中，不同室溫對(duì)應(yīng)的溫升與串聯(lián)電阻值均表示在同一散點(diǎn)圖中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到溫升與回路電流之間的關(guān)系如圖13所示。從圖13可以看出，ITO薄膜在加熱前后溫升與電流的擬合關(guān)系式為ΔT=a*(0.1*i)b，其中a=216 614.613 75，b=2.722 55。

圖13 溫升與回路電流之間的關(guān)系

為驗(yàn)證上述公式的合理性，代入其他測量溫度并與計(jì)算值比較，具體結(jié)果如表1。

表1 不同室溫對(duì)應(yīng)除霧溫度

試驗(yàn)結(jié)果表明，在測溫儀精度范圍內(nèi)，該公式可以較好地反映加熱前后護(hù)目鏡表面溫升與加熱電流之間的關(guān)系。

3.3.4 除霧檔位設(shè)計(jì)

根據(jù)上述ITO薄膜表面溫升與加熱電流之間的關(guān)系，本文根據(jù)使用環(huán)境溫度的差異對(duì)除霧效果進(jìn)行檔位劃分，防止過度加熱而浪費(fèi)電能;也避免室溫較高時(shí)，過度加熱造成護(hù)目鏡鏡片變形，影響防護(hù)效果;同時(shí)，也避免鏡片過熱造成使用者眼部溫度較高，導(dǎo)致眼部干澀而影響使用效果。由前述試驗(yàn)結(jié)果可得，當(dāng)加熱單元溫度為40 ℃時(shí)，護(hù)目鏡可實(shí)現(xiàn)有效除霧，因此，選擇40 ℃為除霧溫度。

根據(jù)計(jì)算公式獲得不同室溫下回路阻值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同室溫下回路阻值

為實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境溫度下均能有效除霧，且盡量減小能量損失，則設(shè)計(jì)環(huán)境溫度與檔位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

表3 除霧檔位

4 結(jié)束語

本文研究了基于氧化銦錫薄膜加熱的醫(yī)用護(hù)目鏡除霧技術(shù)，通過理論計(jì)算、軟件仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，最終獲得以下結(jié)論:

(1)基于氧化銦錫薄膜加熱的除霧技術(shù)可以滿足長時(shí)間有效除霧的要求。根據(jù)該技術(shù)所設(shè)計(jì)的除霧裝置可實(shí)現(xiàn)無差別除霧效果達(dá)九小時(shí)以上，并能根據(jù)使用環(huán)境的不同選擇合適的除霧檔位。

(2)ANSYS中的溫度場分析模塊能夠達(dá)到模擬護(hù)目鏡使用環(huán)境的目的。通過對(duì)加溫前后護(hù)目鏡溫度場進(jìn)行分析，獲得不同的使用環(huán)境時(shí)實(shí)現(xiàn)除霧效果所需的加溫溫度。

(3)本研究可實(shí)現(xiàn)無需摘下護(hù)目鏡即可除霧的目的，有效降低被感染的幾率。該研究裝置不僅可供室內(nèi)醫(yī)務(wù)人員使用，也可供在環(huán)境溫度更低的條件下工作的戶外防疫人員使用。

(4)本研究雖可實(shí)現(xiàn)除霧，但由于并未考慮濕度對(duì)仿真的影響，并且由于試驗(yàn)環(huán)境不可控的因素，理論除霧溫度應(yīng)有所下降，除霧時(shí)間也相應(yīng)增加，以后會(huì)對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。

目前，ITO薄膜加熱護(hù)目鏡鏡片技術(shù)尚未得到廣泛應(yīng)用，使用較多的仍是涂抹除霧劑等化學(xué)處理方法?；谘趸熷a薄膜的加溫除霧技術(shù)可解決受環(huán)境溫度、場景、時(shí)效、使用者身體構(gòu)造的差異性等因素制約的現(xiàn)狀，該技術(shù)的研究與使用既能保障醫(yī)務(wù)人員工作效率，又能避免感染病菌，且操作簡單、造價(jià)低，適合推廣與使用。因此，既高效除霧、又兼顧實(shí)用性的加溫除霧技術(shù)將會(huì)在護(hù)目鏡除霧方法中占有重要地位。