air flow and thermal distribution in an infant incubator analysis by using finite element method

Air flow and Thermal distribution in An Infant incubator Analysis

By Using Finite Element Method

Air flow and Thermal distribution in An Infant incubator Analysis

By Using Finite Element Method

การวิ�เคราะห์และการเปร�ยบเที�ยบการกระจายของอ�ณห์ภู�มิ�และการไห์ลของอากาศภูายในตู้�

อบเด็"กแรกเก�ด็ โด็ยระเบ�ยบวิ�ธี�ไฟไนทีอ�ล�เมินที

ณ�ชาภู(ทีร ช)วิยช�ห์น� สมิศร� ด็าวิฉาย รศ.ด็ร.มิน(ส ส(งวิรศ�ลป,, รศ.ด็ร.ช�ชาตู้� ป-ณฑวิ�ร�จน

ห์ล(กส�ตู้ร วิศ.มิ. สาขาวิ�ชาวิ�ศวิกรรมิอ�เล"กทีรอน�กสช�วิการแพทียคณะวิ�ศวิกรรมิศาสตู้ร

สถาบ(นเทีคโนโลย�พระจอมิเกล าเจ าค�ณทีห์ารลาด็กระบ(ง

OutlineIntroducIntroductiontionTheoryTheoryModelModel and Metrologyand Metrology

Simulation & Simulation & ResultsResultsFuture Future workwork

Introduction

ส)วินตู้)างๆ ของตู้� อบเด็"กส)วินตู้)างๆ ของตู้� อบเด็"กส)วินตู้)างๆ ของตู้� อบเด็"กส)วินตู้)างๆ ของตู้� อบเด็"กแบ่�งเป็�น 3 ส่�วนใหญ่�ๆ ห�องใช้�งาน (Infant Chamber/Hood) ห�องควบ่ค�ม (Control Unit/Section) ตู้�� (Cabinet)

Hood

Control

Cabinet

ควิามิร� ที(2วิไปเก�2ยวิก(บตู้� อบเด็"กควิามิร� ที(2วิไปเก�2ยวิก(บตู้� อบเด็"ก ทารกคลอดก�อนก�าหนด (premature baby)

น��าหน กตู้ วน�อย , การเจร#ญ่เตู้#บ่โตู้ย งไม�ส่มบ่�รณ์' ทารก <750 กร ม – >2000 กร ม

เป็�นตู้��ควบ่ค�มส่#(งแวดล�อมให�ทารกอ�ณ์หภู�ม# ,ความช้*�น ครรภู'มารดาการหม�นเว+ยนอากาศ

ว ตู้ถุ�ป็ระส่งค'และการใช้�งานว ตู้ถุ�ป็ระส่งค'และการใช้�งาน ขณ์ะใช้�งาน ส่ะดวก รวดเร0ว

อ�ณ์หภู�ม# การกระจายความร�อนส่ม�(าเส่มอ อ�ณ์หภู�ม#คงท+(

ระบ่บ่การไหลเว+ยนอากาศ ไหลเว+ยนผานทารก เคร*(องท�าความร�อน เย0น

ป็องก นการกระจายของเช้*�อโรค เคร*(องกรองอากาศ 0.3

ไมครอน

เพิ่#(มความช้*�นของอากาศ อากาศไหลเว+ยนผานภูาช้นะท+(บ่รรจ�น��าไว�

ทฤษฎี+เบ่*�องตู้�นทฤษฎี+เบ่*�องตู้�น สมิด็�ลยควิามิรอนทีางสร�รวิ�ทียา

ทารก 35.5 C ถุ7ง 37.5C เทาน �น จากส่มด�ลยของพิ่ล งงานความรอนท+(ถุ�กส่รางข7�นในรางกาย ก บ่การส่�ญ่เส่+ยความรอนจากเน*�อเย*(อรางกายไป็ย ง บ่รรยากาศ

ภูายนอก การสรางควิามิรอนในรางกาย

ทารกป็กตู้# พิ่ล งงานความรอนส่�งส่�ดไดถุ7ง 4.5 ถุ7ง 5 W/kg เพิ่*(อป็กป็องทารกจากส่#(งค�กคาม

การส�ญเส�ยควิามิรอน- การน�าความรอน (Conduction) ว ตู้ถุ�อ�ณ์หภู�ม#ส่�งมาส่ มผ ส่ก บ่ว ตู้ถุ�ท+(อ�ณ์หภู�ม#ตู้�(ากวา- การพิ่าความรอน (Convection) ทารกส่ มผ ส่ก บ่กระแส่ลมท+(ม+อ�ณ์หภู�ม#ตู้�(า- การแผร งส่+ (Radiant) ทารกม+การแผร งส่+ไป็ย งว ตู้ถุ�โครงส่รางท+(ม+อ�ณ์หภู�ม#ตู้�(ากวา โดยรอบ่ - การระเหย (Evaporation) การระเหยของน��าจากทารกไป็ย งอากาศท+(แหงกวา

Infant Incubator

Infant Incubator

Infant Incubator

Infant Incubator

Single wall

Double wall

ล(กษณะของ HOOD แบบตู้)างๆล(กษณะของ HOOD แบบตู้)างๆ

ไฟไนทีอ�ล�เมินทีก(บการแพทียไฟไนทีอ�ล�เมินทีก(บการแพทีย การว#เคราะห'พิ่ฤตู้#กรรมการไหลของของเหลว

ในร�างกาย ระบ่บ่การหายใจและการแลกเป็ล+(ยนก8าซ การว#เคราะห'ความเคร+ยดของฟั;นเพิ่*(อใช้�

ออกแบ่บ่ในกาส่ งเคราะห'ว ส่ด�ทางท นตู้กรรม การกระจายอ�ณ์หภู�ม#ในดวงตู้ามน�ษย' ฯลฯ

การใช วิ�ธี�ไฟไนทีอ�ล�เมินทีในการวิ�เคราะห์

การกระจายอ�ณห์ภู�มิ�และการไห์ลของอากาศ

ภูายในตู้� อบเด็"กแรกเก�ด็

การใช วิ�ธี�ไฟไนทีอ�ล�เมินทีในการวิ�เคราะห์

การกระจายอ�ณห์ภู�มิ�และการไห์ลของอากาศ

ภูายในตู้� อบเด็"กแรกเก�ด็

Variables:Variables: Temperature, Velocity Field Temperature, Velocity Field

Theory of Fluid Mechanics and Heat TransferTheory of Fluid Mechanics and Heat Transfer

Air flow velocityAir flow velocity Fluid MechanicsFluid Mechanics

Incompressible Navier-Stokes EquationIncompressible Navier-Stokes Equation

TemperatureTemperature Heat TransferHeat Transfer

Conduction and Convection EquationConduction and Convection Equation

Incompressible Navier-Stokes EquationIncompressible Navier-Stokes Equation

Fluid DynamicsFluid Dynamics

2ρ η ρ( )t

p

u

u + u u + F

η

p

F

ρ

t

u

Density (kg/mDensity (kg/m33))

Velocity Field (m/s)Velocity Field (m/s)

Time (s)Time (s)

Dynamic Viscosity(Ns/mDynamic Viscosity(Ns/m22))

Pressure (Pa)Pressure (Pa)

Volume Force Field (N/mVolume Force Field (N/m33))

Conduction and Convection EquationConduction and Convection Equation

Heat TransferHeat Transfer

ρ ( ρ u)T

C k T CT Qt

T T Temperature (K)Temperature (K)

C C Heat Capacity (J/kgK)Heat Capacity (J/kgK)

K K IsotropicIsotropic Thermal Conductivity (W/mK)Thermal Conductivity (W/mK)

Q Q Heat Source (W)Heat Source (W)

Comsol multiphysics 3.4 aComsol multiphysics 3.4 a

4. Finite Element Method4. Finite Element Method

Partial Differential Equation (PDE)Partial Differential Equation (PDE)Boundary ConditionBoundary Condition

จากผลการว#จ ยท+(ผ�านมา

velocity fields inside the incubator of each model

Cubic shape Pentagon shape semi-hexagonal shape

Stream Line

Dome Shape Hexagonal Shape

Temperature plot at head, body, foot of infantTemperature plot at head, body, foot of infant

Dome Shape

Hexagonal Shape

Incubator Model

Infant Model

โมเดลทารกน �นส่ร�างจาก โป็รแกรม 3dsmax และ Unigraphics NX

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 aircp,a = 1006

[J/kgK]

Thermal conductivity of the air

ka = 0.0268

[W/mK]

Viscosity of the airμa = 1.90

x 10-5[kg/ms]

Thermal expansion coefficient of the air

β = 0.00332

6[1/K]

Material name InfantNewborn’s weight 1500 (kg)

Newborn’s height 0.4 (m)

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 [kg/m3]

Blood specific heat 3800 [J/kgK]

Initial temperature 308 K

Fluid Dynamic

s

Boundary Conditio

nInflow u = u0

Outflow P0=0

Chamber u=0

Infant model u=0

Boundary condition of fluid dynamics

Boundary condition of heat transfer

Fluid Dynamics

Boundary Condition

Inflow Temperature

Outflow Convective Flux

Chamber Thermal insulator Infant model Temperature

Mesh of model

Initial value

การไห์ลของอากาศ

อ�ณห์ภู�มิ�ภูายใน

Head

Body

Foot

แส่ดงอ�ณ์หภู�ม#ของทารกเป็ร+ยบ่เท+ยบ่บ่ร#เวณ์ ศ+รษะ ล�าตู้ ว และเท�า

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

ImprovementImprovement

ENDEND