การวิเคราะห์และการเปรียบเทียบการกระจายของอุณหภูมิและการไหลของอากาศภายในตู้อบเด็กแรกเกิด โดยระเบียบวิธีไฟไนท์อิลิเมนท์ Air flow and Thermal distribution in An Infant incubator Analysis By Using Finite Element Method ณิชาภัทร ช่วยชูหนู สมศรี ดาวฉาย รศ.ดร.มนัส สังวรศิลป์, รศ.ดร.ชูชาติ ปิณฑวิรุจน์ หลักสูตร วศ.ม. สาขาวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ชีวการแพทย์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

Outline Introduction Theory Simulation & Results Future work Model and Metrology Simulation & Results Future work

Introduction

ส่วนต่างๆ ของตู้อบเด็ก แบ่งเป็น 3 ส่วนใหญ่ๆ ห้องใช้งาน (Infant Chamber/Hood) ห้องควบคุม (Control Unit/Section) ตู้ (Cabinet) Hood Control Cabinet

ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับตู้อบเด็ก ทารกคลอดก่อนกำหนด (premature baby) น้ำหนักตัวน้อย, การเจริญเติบโตยังไม่สมบูรณ์ ทารก <750 กรัม – >2000 กรัม เป็นตู้ควบคุมสิ่งแวดล้อมให้ทารก อุณหภูมิ, ความชื้น  ครรภ์มารดา การหมุนเวียนอากาศ

วัตถุประสงค์และการใช้งาน ขณะใช้งาน  สะดวก รวดเร็ว อุณหภูมิ  การกระจายความร้อนสม่ำเสมอ อุณหภูมิคงที่ ระบบการไหลเวียนอากาศ ไหลเวียนผานทารก เครื่องทำความร้อน เย็น ปองกันการกระจายของเชื้อโรค  เครื่องกรองอากาศ 0.3 ไมครอน เพิ่มความชื้นของอากาศ  อากาศไหลเวียนผานภาชนะที่บรรจุน้ำไว้

ทฤษฎีเบื้องต้น สมดุลยความรอนทางสรีรวิทยา ทารก  35.5 C ถึง 37.5C เทานั้น จากสมดุลยของพลังงานความรอนที่ถูกสรางขึ้นในรางกาย กับการสูญเสียความรอนจากเนื้อเยื่อรางกายไปยัง บรรยากาศภายนอก การสรางความรอนในรางกาย ทารกปกติ  พลังงานความรอนสูงสุดไดถึง 4.5 ถึง 5 W/kg เพื่อปกปองทารกจากสิ่งคุกคาม การสูญเสียความรอน - การนำความรอน (Conduction) วัตถุอุณหภูมิสูงมาสัมผัสกับวัตถุที่อุณหภูมิต่ำกวา - การพาความรอน (Convection)  ทารกสัมผัสกับกระแสลมที่มีอุณหภูมิต่ำ - การแผรังสี (Radiant)  ทารกมีการแผรังสีไปยังวัตถุโครงสรางที่มีอุณหภูมิต่ำกวา โดยรอบ - การระเหย (Evaporation) การระเหยของน้ำจากทารกไปยังอากาศที่แหงกวา 7

Infant Incubator

Infant Incubator

Infant Incubator

Infant Incubator

ลักษณะของ HOOD แบบต่างๆ Single wall Double wall

ไฟไนท์อิลิเมนท์กับการแพทย์ การวิเคราะห์พฤติกรรมการไหลของของเหลวในร่างกาย ระบบการหายใจและการแลกเปลี่ยนก๊าซ การวิเคราะห์ความเครียดของฟันเพื่อใช้ออกแบบในกาสังเคราะห์วัสดุทางทันตกรรม การกระจายอุณหภูมิในดวงตามนุษย์ ฯลฯ

การใช้วิธีไฟไนท์อิลิเมนท์ในการวิเคราะห์ การกระจายอุณหภูมิและการไหลของอากาศ ภายในตู้อบเด็กแรกเกิด

Variables: Temperature, Velocity Field

Theory of Fluid Mechanics and Heat Transfer Air flow velocity Fluid Mechanics Incompressible Navier-Stokes Equation Temperature Heat Transfer Conduction and Convection Equation

Incompressible Navier-Stokes Equation Density (kg/m3) Velocity Field (m/s) Time (s) Dynamic Viscosity(Ns/m2) Pressure (Pa) Volume Force Field (N/m3) Fluid Dynamics

Conduction and Convection Equation T Temperature (K) Q Heat Source (W) C Heat Capacity (J/kgK) K Isotropic Thermal Conductivity (W/mK) Heat Transfer

Comsol multiphysics 3.4 a We select the COMSOL Multiphysic3.3 as our simulation tools because the operational time for each simulation is less than another program and it is easy to manipulate. The simulation was set as a transient analysis due to our system is time dependent system

Partial Differential Equation (PDE) 4. Finite Element Method Partial Differential Equation (PDE) Boundary Condition

จากผลการวิจัยที่ผ่านมา

velocity fields inside the incubator of each model Cubic shape Pentagon shape In previously He study velocity fields inside the incubator of each shape the result of simulation witch can see the velocity filed of air flow in semi-hexagonal is better than another shape semi-hexagonal shape velocity fields inside the incubator of each model

Stream Line Hexagonal Shape Dome Shape

Temperature plot at head, body, foot of infant Hexagonal Shape Dome Shape

Incubator Model

Infant Model โมเดลทารกนั้นสร้างจาก โปรแกรม 3dsmax และ Unigraphics NX

Axial initial velocity of the air uz = 0.41 [m/s] Air density Material name Air Axial initial velocity of the air uz = 0.41 [m/s] Air density ρa = 1.43 [kg/m3] Heat capacity of the air cp,a = 1006 [J/kgK] Thermal conductivity of the air ka = 0.0268 [W/mK] Viscosity of the air μa = 1.90 x 10-5 [kg/ms] Thermal expansion coefficient of the air β = 0.003326 [1/K]

Material name Infant Newborn’s weight 1500 (kg) Newborn’s height 0.4 Age 1 (days) Gestation 32 (weeks) Tissue conductivity 0.34 [W/mK] Tissue density 1000 [kg/m3] Tissue specific heat 4000 [J/kgK] Blood perfusion rate 1.8 (kg m-3 s-1) Blood density 1050 Blood specific heat 3800 Initial temperature 308 K

Fluid Dynamics Boundary Condition Fluid Dynamics Boundary Condition Boundary condition of fluid dynamics Fluid Dynamics Boundary Condition Inflow u = u0 Outflow P0=0 Chamber u=0 Infant model Boundary condition of heat transfer Fluid Dynamics Boundary Condition Inflow Temperature Outflow Convective Flux Chamber Thermal insulator Infant model

Mesh of model

Initial value

การไหลของอากาศ

อุณหภูมิภายใน

แสดงอุณหภูมิของทารกเปรียบเทียบบริเวณ ศีรษะ ลำตัว และเท้า Head Body Foot แสดงอุณหภูมิของทารกเปรียบเทียบบริเวณ ศีรษะ ลำตัว และเท้า

Improvement Other parameter, humid, Heat Loss Real Situation and parameter,infant,room Simulink with mathlab Control temperature

END