이 글의 시작은 팀부스터 막내인 현종 다이버의 질문으로 부터 시작되었다. “US4 보다 더 고가인 제품을 번들로 주면 좋지 않을까요?.”
이 질문에 답하기 위해서는 솔레노이드와 호흡기 1단계 중간압의 영향에 대해서 이해하는 것이 중요하다.
JJCCR과 같은 eCCR 장비의 핵심 기능 중 하나는 산소 부분압(O2 PPO2)을 설정된 기준치(setpoint)에 맞추어 자동으로 유지하는 것이다. 이를 통해 다이버는 깊이에 상관없이 일정한 PPO2를 유지할 수 있다.
이 기능은 전자식 솔레노이드를 통해 이루진다. 솔레노이드는 전자식 개폐장치로 정해진 조건에 맞춰 산소를 루프(loop)에 추가해 준다. (자세한 솔레노이드 기능은 구글링하여 참고)
솔레노이드의 개패 방식은 업스트림(Up-stream)으로 들어오는 기체의 흐름는 방향으로 입구가 닫히는 방식이다. 반면, 우리가 사용하는 호흡기 2단계는 다운스트림(Down-steam) 방식으로 압력이 일정 수준 이상으로 상승하면 입구가 열려 프리플로우(free-flow)가 발생한다. 솔레노이드는 업스트림방식으로 기체 흐름의 방향으로 입구가 닫혀, 기체 유입이 되지 않게 된다. (Up-steam, Down-steam 방식은 구글링으로 참고)
즉 솔레노이드가 동작하지 않아 산소 유입이 불가능하게 된다.
따라서 솔레노이드로 주입되는 기체(산소)의 중간 압력(Intermediate pressure)이 일정 범위(7 ~ 7.5bar)내에서 정확히 유지하는 것이 중요하다. 유입되는 총 압력은 중간압(Intermediate pressure)과 주변압(정수압, Hydrostatic pressure)의 합이지만, 주변압은 내부기체 압력에 의해서 상쇄되므로 실제 중간압에만 영향을 받는다.
total pressure = Intermediate pressure + Hydrostatic pressure
solenoid power(volt) >= total pressure – inside pressure
이 유지 기능은 호흡기 1단계(regulator 1st)가 담당한다. 호흡기 1단계는 동작 방식에 따라 Piston, Membrane 과 Wet-Membrane으로 나뉘며, 노출에 여부에 따라 노출 방식(Piston, Wet-Membrane)과 비노출(Membrane – 환경막방식)으로 나눈다. (자세한 동작 방식은 구글링하여 참고)
Piston 방식은 외부 스프링을 통하여 주변압(Hydrostatic Pressure)을 가감하고, Membrane은 차단막을 통해 주변압을 Pressure transmitter(그림1의 25번)를 통하여 전달한다. Wet-Membrane은 환경 차단막과 Pressure transmitter을 사용하지 않는 방법으로 Membrane으로 전달 받은 압력을 바로 내부 스프링으로 전달 한다.
이와 같은 구조적은 차이는 [그래프1, 2, 3]에서 나타나는 것과 같이 수심 변화(주변압의 변화)에 따라 중간압 유지 여부가 달라진다.
각 테스트는 [그림 2]와 같은 테스트 챔버에서 US4, DS4, MK15 등의 1단계를 테스트하여 얻은 결과이다. (출처: rebreather forum)
JJCCR에서 사용하는 US4는 [그래프1]에서 보이듯이 정수압 변화에도 중간압 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 이는 수심 변화에도 솔레노이드가 정상 동작한다는것을 의마한다. Piston 방식 역시 [그래프2]를 일정한 중간압 유지를 확인할 수 있다.
반면, [그래프3]의 Membrane 방식인 DS4에서는 수심 변화에 따라 중간압 변화가 발생한다. 이는 수심이 깊어질수록 중간압이 상승하고, 결과적으로 솔레노이드 동작을 위하여 더 많은 힘을 필요하다. 이는 산소 부분압의 유지가 어려워지며, 특정 이상 압력에서는 솔레노이드의 힘이 흐름의 압력을 이기지 못해 동작하지 않게된다.. 이는 eCCR에서 심각한 문제로, bailout 또는 failed 시나리오를 진행해야 합니다.
그와 다르게 [그래프3]의 Membrane 방식의 경우 수심이 변화하게되면 중간압의 변화가 일어나는 것을 볼 수 있다. 이는 수심이 깊어질수로 중간압이 올라가므로 솔레노이드가 동작하기 위해서 더 높은(많은) 힘이 필요한것을 알 수 있다. 원활한 기체 유입이 일어나지 않아 산소 부분압 유지가 힘들어지게 되고, 특정 압력 시점부터는 솔레노이드의 힘 보다 압력이 높아져 동작을 하지 않게 될 것이다. 이는 eCCR에서 아주 큰 문제로 인식되는 상황으로 bailout(또는 failed시나리오)을 진행해야 한다.
테스트 결과에 보이듯, 솔레노이드에 연결된 1단계 호흡기는 중간압 변화가 없는 Piston 또는 Wet-Membrane 방식을 사용해야 한다.
이 논문은 Diving And Hyperbaric Medicine 에 기고된 논문으로 사용시간이 남은 소다라임의 보관 방법에 따라 이산화탄소(CO2) 흡수 능력에 영향을 주는지를 실험하고 결과를 서술하고 있다.
테스트 방법 에볼루션+(Evolution Plus) 재호흡기를 벤치톱회로(그림1)를 이용해서 기계적으로 호흡하는 상황을 만들어낸다. 분당호흡량(RMV)는 45L/min, 날숨의 이산화탄소 2L/min 생성되는것으로 실험 기준으로 하였다. 2.64kg의 소프노라임(sofnolime) 797을 사용하여 벤치톱회로를 이용하여 캐니스터를 90분 동안 동작 시킨 후, 3가지의 조건으로 보관하였다.
오픈상태(unsealed) 28일 – 4개 캐니스터 밀봉상태(sealed)로 28일 – 5개 캐니스터 – 진공청소기로 흡입 가능한 지퍼락 오픈상태(unsealed) 하루밤동안 – 5개 캐니스터
이후 벤치톰회로를 동작하여 희석되지 않은 CO2가 1kPa 전까지의 지속시간을 비교 테스트 하였다. * 테스트 중 매 30분 마다 환기를 시키고 센서들 교정하고, 호스들의 습기를 제거.
Dulient(희석가스) 공기 Controller Set point 0.7 ata 실험실 온도 19.7℃ (+- 3.1℃) 실험실 습도 53% (+- 9%)
[그림 1] 테스트 회로 및 모니터링 장비의 개략적 레이아웃 Mechanical ventilator: 인공호흡장치, RR(Respiratory Rate):30L/min, Tidal volume: 1.5L Heater Humidifier: 사람의 호흡기체와 유사한 온도 유지 장치 Mixing chamber: Mechanical ventilator와 공기와 CO2를 혼합. 4L 볼륨 유지 장치
테스트 결과 캐니스터를 28일 보관 후 CO2 1kPa 도달까지는 오픈상태 평균 188분, 밀봉상태일 경우 평균 241분이 도출되었다. 하루동안 미개봉상태로 놓여진 캐니스터의 경우 239분이 측정되었다.
오픈상태와 밀봉상태의 보관은 약 50분 정도 상당한 차이가 나고, 이는 100L 정도의 이산화탄소 희석량이 된다. *100L 차이가 나는것은 이론적으로 쉽지 않다고합니다. 자세한 내용은 원문 참조. *캐니스터의 희석량은 시간외에 다른 요소들에 많은 영향을 받음.
[그림 2] A는 오픈 상태와 밀봉상태의 캐니스터 측정 그래프, B는 오픈상태 하루밤동안의 캐니스터 그래프에서 아래로 주기적으로 도출된것은 매 30분마다 환기절차때문이다.
하루동안 오픈상태의 캐니스터와 밀봉되어 28일동안 보관된 캐니스터와는 큰 차이가 없었다. 캐니서터를 오픈상태로 24시간이하 보관하는 경우 스크러버 기능에 심각한 저하를 초래 하지않는 것으로 보인다.
[표 1] 각 조건의 캐니스터들의 PCO2가 1kPa 도달 시간
결론 재호흡기 다이버들은 하루이상 스크러버 캐니서터를 보관할때에는 진공 밀봉 상태를 고려해야 한다. 사용시간이 남은 스크러버 캐니스터를 다음날 다시 사용할 경우 보관 방법이 스크러버 기능에 영향을 주지 않는 것으로 보인다.
