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중간압의 중요성과 JJCCR에서 US4 1단계 사용의 이유

중간압의 중요성과 JJCCR에서 US4 1단계 사용의 이유

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.

[그림1] 아펙스 1단계 분해도

[그래프1] Apeks US4 Wet-membrane 방식, 출처: www.rb-forum.cz
[그래프2] Scubapro Mk25 piston방식 그래프 , 출처: www.rb-forum.cz

[그래프3] Apeks DS4 Membrane 방식, 출처: www.rb-forum.cz

[그래프4] Scubapro Mk17 evo , 출처: www.rb-forum.cz
[그림 2]Test chamber, available 500m, 출처: www.rb-forum.cz
[그림 3] IP range of oxygen