基于氧化銦錫薄膜的醫(yī)用護目鏡加溫除霧技術研究

王宜馨，王洪亮，施錦瑋，皮大偉，王顯會

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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

一線醫(yī)務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，但因為每個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間，并不能從根本上實現除霧效果。針對除霧問題，聶廣藝等采用在護目鏡邊緣添加加熱條，且將護目鏡加熱至36 ℃的方法阻止水分液化，以此達到除霧的目的[5]。這一方法雖能實現除霧效果，但除霧范圍有限，并不能完全解決視線范圍內起霧問題。為擴大除霧面積，蘇黎世聯(lián)邦理工學院團隊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，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率這一特點設計單層石墨烯除霧器，該除霧器在飽和溫度與響應時間方面優(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)境適應性不佳。經分析現有除霧措施的缺點，本文將綜合考慮除霧時效與制作成本等問題，參考汽車擋風玻璃除霧系統(tǒng)中氧化銦錫導電玻璃除霧原理，研究以聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)為基膜的ITO薄膜來加熱護目鏡鏡片的加溫除霧技術。

為滿足護目鏡在不同室溫環(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使用中的護目鏡溫度場進行分析。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應的溫度場圖像及溫度曲線。鄒波等[8]針對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，研究了不同時刻時軌道梁截面的溫度分布規(guī)律，得到了箱梁在不同時刻的溫度云圖。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目鏡的溫度場圖像與溫度云圖，獲得使用護目鏡時所處環(huán)境的溫度與除霧參數之間的關系，并設計試驗對仿真結果進行驗證。

為實現長時間且穩(wěn)定除霧的要求，本文將首先通過原理分析與理論計算設計利用ITO薄膜加熱的醫(yī)用護目鏡除霧裝置;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目鏡外表面加熱膜加熱前后的溫度;最后根據仿真結果設計試驗，驗證所提出的加溫除霧技術是否能夠達到長時間有效除霧的目的。

1 除霧裝置設計

1.1 基本功能與原理

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

ITO薄膜加溫除霧技術的原理是利用ITO薄膜連接到電路而產生的熱量對鏡片進行加熱，通過防止鏡內水蒸氣液化而達到除霧的目的。除霧裝置結構如圖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直流電壓的移動電源來提供電能。

圖1 基本原理圖

1.2 基本構成

1.2.1 護目鏡

醫(yī)用多功能護目鏡由鏡片、鏡架組成，鏡架材質無特殊要求。以光學樹脂、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，即聚碳酸脂為試驗對象。該材料熔點為220～230 ℃，未填充牌號的熱變形溫度大約為130 ℃，玻璃纖維增強后可使熱變形溫度達到140 ℃，耐熱性好。護目鏡常見厚度為2 mm與2.3 mm，本次研究所使用的護目鏡厚度為2.3 mm。PC的導熱系數為λ=0.2 W/(m·K)。

1.2.2 ITO薄膜

ITO 薄膜是一種以PET膜為基膜的半導體透明薄膜，其加溫過程指給ITO薄膜通電時，導電涂層使電流流動產生熱量，產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穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，常被用作汽車擋風玻璃除霧加熱膜。考慮到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 研究內容

除霧裝置為滿足長時間有效除霧的要求，綜合考慮護目鏡使用環(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，并通過理論計算獲得熱量遷移后的護目鏡外表面溫度，并計算經加熱、散熱過程后護目鏡外表面的溫度，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、室溫之間的關系，將利用復合面熱量遷移原理描述室溫與護目鏡內腔溫度對鏡面溫度的影響，將試驗簡化為加熱單元在不同初溫下加熱至除霧溫度所產生的溫度差與檔位阻值的關系。熱量遷移原理如圖2所示，圖中T為加熱膜外側溫度，Tout為護目鏡外側溫度，Tin為護目鏡內側溫度。

圖2 熱量遷移原理

圖2(a)為未加熱狀態(tài)下護目鏡內腔熱量擴散至鏡片，并與室溫進行熱量交換的過程;圖2(b)為加熱后熱量向兩個方向遷移并與室溫進行熱交換的過程。由于檔位阻值的變化會引起回路電流的變化，則試驗最終可簡化為加熱膜溫升與回路電流之間的關系。設護目鏡內側鏡片溫度為Tin=38℃，導熱系數為λ=0.2W/(m·K)，厚度為D1=2.3mm，熱量遷移率為H1。導熱系數為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，則熱量遷移結果為

(1)

(2)

熱量達到穩(wěn)定時

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

試驗中采用直流電源對加熱回路進行供電，并以恒定功率加熱，當回路接入檔位電阻為Rr時，回路加熱功率為

Ph=I2R

(6)

式中:電流I的計算公式為

(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、表面換熱系數的積。表面換熱系數表示所圍護結構表面與附近空氣之間的溫差為1℃，單位時間內通過單位面積轉移的熱量，單位為W/(m2·℃)。表面換熱系數αT為該表面對流換熱系數αC與該表面輻射換熱系數αR之和為

αT=αC+αR

(8)

(1)表面對流散熱系數αC可計算為

αC=2.5×10-4ΔT0.25

(9)

(2)表面輻射散熱系數αR可計算為

(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，也可近似看作導電膜中間接觸面溫度Tx，則溫差ΔT=Tk-T0。kR為表面輻射系數，輻射系數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。本文的研究對象為加熱膜溫升與回路電流之間的關系，據此，本文應對護目鏡進行三維建模，并根據前述計算結果在ANSYS中選擇合適的邊界條件進行溫度場分析，以獲得合適的除霧參數，為后續(xù)試驗提供合理的試驗參考數據。

2 溫度場分析

根據前述分析可知，某環(huán)境溫度下加溫薄膜的溫升與回路電流之間的關系即代表對應的除霧條件。但由于實際試驗條件限制，并不能獲得所有試驗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目鏡實際使用時的溫度變化過程。首先使用三維繪圖軟件CATIA繪制所需的護目鏡結構模型，僅取人臉部與護目鏡接觸部分及護目鏡本身作為模型，在仿真過程中，由于人體面部結構變化對加熱位置的初溫并無較大影響，則忽略面部特征變化，同時添加加熱薄膜模型，建模結果如圖3所示;其次通過設置仿真參數模擬護目鏡使用環(huán)境，獲得不同室溫下ITO薄膜加熱前的溫度;最后根據前述模擬條件，獲得不同室溫下護目鏡鏡片內部加熱至除霧時的ITO薄膜表面溫度。

圖3 護目鏡三維實體結構建模

2.1 邊界條件設置

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、設置單元密度、劃分單元、施加對流換熱載荷、施加初始溫度、設置求解選項等內容。將呼氣與人體散熱等因素產生的熱量共同作為仿真時的恒溫熱源，取參考溫度37 ℃。模型處在室溫中，存在熱對流、熱輻射、熱傳導三類邊界條件。對流面選擇除恒溫加熱面外的鏡面與輪廓面。進氣流速和溫度可以通過改變對流換熱系數來進行設置，該系數采用前述理論計算中的表面對流換熱系數。在經過前處理設置后進行數值求解，結果收斂后則通過后處理查看模擬計算結果。

2.2 室溫下護目鏡結構溫度分析

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

圖4 20 ℃室溫下熱量遷移結果

圖5 不同室溫下熱量遷移結果

2.3 ITO導電膜加熱后鏡片內外溫度分析

常見除霧裝置所設除霧溫度約為39 ℃，為確保內鏡片溫度上升至39 ℃達到除霧目的，加熱膜溫度應保持在39～40 ℃。本節(jié)延用上一節(jié)不同溫度所對應的環(huán)境參數，并設置加熱膜初始溫度，將經過自然對流直至鏡片內外溫度達到平衡后所獲得的溫度作為加熱后的加熱膜溫度。設置模擬室溫條件為20 ℃結果表明，當透明加熱膜溫度為40 ℃時，護目鏡內表面溫度為39.3 ℃，鏡面溫度自加熱膜位置向邊緣逐漸降低，側面輪廓溫度略高于室溫。當加熱膜溫度為39.5 ℃時，護目鏡內表面溫度為39.1 ℃，模型溫度變化規(guī)律與上述結果一致。綜合以上仿真結果，室溫條件為20 ℃所對應加熱膜溫度為40 ℃，內鏡面溫度也可保持在39 ℃左右，既能實現有效除霧也能兼顧節(jié)能要求。修改仿真參數重復以上試驗，獲得不同室溫下加熱膜溫度與內側鏡片溫度。結果表明，加熱膜溫度與鏡片內側溫度的溫差關系并不隨所處環(huán)境溫度的變化而變化，僅需控制加熱膜溫度，即可實現長時間除霧的要求。因此加熱除霧的關鍵在于保持穩(wěn)定的有效除霧溫度。

3 性能驗證試驗

本次試驗分別對不同室溫下加溫前與加溫至除霧后的薄膜溫度進行測量，加溫前薄膜溫度的測量結果用來驗證室溫下仿真結果的準確性，而加熱至除霧后所測量的薄膜溫度可以檢驗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溫度的方式實現，采樣點在加溫薄膜的布局如圖6所示，每個加溫薄膜均勻分布三行四列共12個溫度采樣點，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。通過分析采樣點數據，獲得加熱前后護目鏡鏡片溫升與對應串聯(lián)電阻值的散點圖，數據處理后獲得不同室溫所對應的串聯(lián)檔位電阻值，并根據室溫劃分加熱檔位，實現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 試驗材料

根據第2節(jié)的分析，由于一次性醫(yī)用護目鏡不易進行試驗條件的模擬，故采用水箱與厚度同護目鏡鏡片相同的PC板模擬佩戴護目鏡的環(huán)境。本次試驗使用的材料有水箱、PC板(130 mm×105 mm×30 mm)、導線若干、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的移動直流電源、透明導電膠、恒溫加熱棒、測溫儀、萬用表等。試驗環(huán)境為通風良好的室內。

3.2 試驗過程

3.2.1 室溫下護目鏡溫度分布

本試驗模擬護目鏡使用情況:試驗人員佩戴一次性醫(yī)用口罩，并捏緊密封條，將護目鏡戴于眼部，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目鏡內腔，防止因佩戴時間過長，口罩與面部間隙大而造成污染。由于試驗人員肺活量不同或面部結構有所差異，呼出的部分氣體由護目鏡下部進入內腔，使得護目鏡內部溫度與濕度增加，并隨時間推移而出現起霧現象。試驗時，試驗者在室溫為23 ℃、通風良好的室內佩戴護目鏡一小時后進行測量，即對貼附在鏡片上的加熱單元中每個采樣點進行溫度采樣，采樣點布置如圖6所示，其結果如圖7所示:護目鏡鼻部區(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，右側圖例代表溫度變化。結果表明，該測量區(qū)域溫度變化范圍在23～25 ℃，考慮測量誤差后，試驗結果與仿真結果近似吻合。

3.2.2 除霧效果驗證

為實現針對不同室溫條件均能實現除霧的目的，需獲得準確的除霧溫度與實現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算公式，為后續(xù)劃分檔位提供支持。

試驗過程如圖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、利用測溫儀獲得護目鏡在該電流時某室溫下護目鏡表面溫度，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個測量點阻值與溫度(每個點測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系。最后綜合分析因素，并總結具有普遍性的加熱單元溫度與回路電流之間的關系。當室溫為27 ℃時試驗現象如圖9所示。串聯(lián)電阻值為0 Ω時，加熱單元對應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，除霧面積有所減小且出現較小面積的水霧;串聯(lián)電阻值為10 Ω時，加熱單元對應區(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 ℃時對其測量，結果表明3.7 Ω為最佳阻值。

圖8 試驗步驟圖

圖9 不同串聯(lián)電阻值所對應除霧效果

3.3 試驗結果與討論

3.3.1 ITO薄膜對溫度的響應

試驗中測量了環(huán)境溫度為20 ℃時ITO薄膜上同一測量點在開始和停止加熱時溫度的變化。如圖10所示，電流在開始加熱時溫度上升較快但并未達到穩(wěn)定值，加熱時間延長后則達到一個穩(wěn)定值但有所波動(加熱與散熱達到平衡)。當停止加熱后，薄膜溫度在只有散熱時降低。同時通過對多點測量發(fā)現，薄膜溫度處于穩(wěn)定時呈階梯分布，如圖11所示。需要注意的是當最高行平均溫度達到40 ℃時，薄膜在加熱位置可實現有效除霧，右側圖例代表溫度變化。因此，試驗結果表明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薄膜加熱溫度對時間的響應

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加熱效果的影響

在同一加熱電流下，加熱絲的不同設計方式對加熱效果會有影響。為了驗證加熱時加熱絲放置方式是否會對薄膜導熱產生影響，所以設計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 ℃。試驗中對同一測量點測量3次，結果取平均值。所使用串聯(lián)電阻值無法直接讀數，選擇使用萬用表進行阻值測量，其精度為±(1.0%+2)，回路電流也使用其直接讀數，其精度為±(1.0%+2)。將試驗過程中，不同室溫對應的溫升與串聯(lián)電阻值均表示在同一散點圖中，經過數據處理得到溫升與回路電流之間的關系如圖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系

為驗證上述公式的合理性，代入其他測量溫度并與計算值比較，具體結果如表1。

表1 不同室溫對應除霧溫度

試驗結果表明，在測溫儀精度范圍內，該公式可以較好地反映加熱前后護目鏡表面溫升與加熱電流之間的關系。

3.3.4 除霧檔位設計

根據上述ITO薄膜表面溫升與加熱電流之間的關系，本文根據使用環(huán)境溫度的差異對除霧效果進行檔位劃分，防止過度加熱而浪費電能;也避免室溫較高時，過度加熱造成護目鏡鏡片變形，影響防護效果;同時，也避免鏡片過熱造成使用者眼部溫度較高，導致眼部干澀而影響使用效果。由前述試驗結果可得，當加熱單元溫度為40 ℃時，護目鏡可實現有效除霧，因此，選擇40 ℃為除霧溫度。

根據計算公式獲得不同室溫下回路阻值，結果如表2所示。

表2 不同室溫下回路阻值

為實現各種環(huán)境溫度下均能有效除霧，且盡量減小能量損失，則設計環(huán)境溫度與檔位之間的對應關系，如表3所示。

表3 除霧檔位

4 結束語

本文研究了基于氧化銦錫薄膜加熱的醫(yī)用護目鏡除霧技術，通過理論計算、軟件仿真與試驗驗證相結合的方法，最終獲得以下結論:

(1)基于氧化銦錫薄膜加熱的除霧技術可以滿足長時間有效除霧的要求。根據該技術所設計的除霧裝置可實現無差別除霧效果達九小時以上，并能根據使用環(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到模擬護目鏡使用環(huán)境的目的。通過對加溫前后護目鏡溫度場進行分析，獲得不同的使用環(huán)境時實現除霧效果所需的加溫溫度。

(3)本研究可實現無需摘下護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醫(yī)務人員使用，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)本研究雖可實現除霧，但由于并未考慮濕度對仿真的影響，并且由于試驗環(huán)境不可控的因素，理論除霧溫度應有所下降，除霧時間也相應增加，以后會對此進行改進。

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