재호흡기의 종류

재호흡기는 무엇인가?

모든 재호흡기는 다이버의 들숨과 날숨이 순환하는 회로(루프/ loop)로 이루어져 있으며 다음의 기본적인 구성 요소들을 가지고 있다.

JJ 완전 폐쇄식 재호흡기
  • 마우스피스가 연결된 호흡 호스(들숨/날숨)
  • CO2 (이산화탄소) 제거 장치
  • 카운터 렁 : 기체 부피 추가, 기체 혼합, 산소 보충

다이버의 대사 작용으로 소모되는 산소가 시스템으로 주입되며 날숨으로 배출되는 이산화탄소는 흡수제(소다라임)에 의해 흡수된다.

재호흡기는 다이버가 호흡하고 배출한 기체가 대부분 루프에 남아 있으므로 기체 효율이 개방식 호흡기에 비해 매우 뛰어나다.

카운터 렁(호흡 주머니)의 크기는 재호흡기 디자인에서 매우 중요하며 다이버의 들숨/날숨 기체 부피를 충분히 수용해야 한다.

날숨을 예로 들면 카운터 렁이 팽창하는 만큼 다이버의 폐는 수축하므로 기체의 전체 부피는 언제나 동일하다, 즉 개방식 호흡기와는 다르게 호흡에 따른 부력 변화가 없다.

재호흡기는 기본적으로 다음 세가지 종류로 나뉜다.

  • 산소 재호흡기
  • 반폐쇄식 재호흡기
  • 기체혼합식 완전 폐쇄식 재호흡기

산소 재호흡기 (Pure O2 rebreather)

개방식(OC) 호흡기 보다 먼저 발명된 산소 재호흡기는 군사용으로 오랫동안 사용되고 있다. 한개의 호스만 사용하는 초기 Pendulum 유닛을 포함한 산소 재호흡기는 소방서 같은 곳에서 지상 작업에서도 사용되었다.

LAR V 산소 재호흡기

산소 재호흡기는 구조가 간단하고 산소 기체만 있으면 되므로 부피가 작다. 다이버의 대사 작용으로 인해 산소가 줄어들면 자동 밸브가 작동하며 기체를 보충하고 이산화탄소는 흡수제가 흡수한다. 만약 기체가 카운터렁 부피를 초과하면 OPV(과압 밸브)를 통해 배출된다.

산소만 사용하기 때문에 불활성 기체는 없고 감압도 필요하지 않다. 하지만 산소 중독의 위험 때문에 산소 재호흡기를 사용할 수 있는 일반적인 최대 수심은 6미터이며 단시간의 제한된 상황에서 10미터까지 허용되기도 한다.

산소 재호흡기 구조도 (출처)
  1. DSV (Dive surface valve) / 마우스피스
  2. 호흡 호스 (날숨)
  3. 스크러버
  4. 카운터 렁
  5. OPV(과압 밸브)
  6. 호흡 호스 (들숨)
  7. 실린더
  8. 실린더 밸브
  9. 호흡기 1단계
  10. 잔압계
  11. Automatic make-up valve (자동 산소 밸브)
  12. 수동 밸브

반폐쇄식 재호흡기

일반적으로 반폐쇄식 재호흡기는 사전 계획된 기체가 호흡 루프에 주입되는 것으로 작동된다. 산소 함량(%)은 목표 수심(PO2 1.5bar를 넘지 않도록 계획)에 따라 달라지며 이러한 시스템은 산소가 공급되는 방식에 따라 크게 두가지로 나뉜다.

Drager Dolphin SCR – 돌핀 반폐쇄식 재호흡기

첫번째는 오리피스를 통해 산소 함량이 많은 기체를 루프내로 지속적으로 주입하는 방식이다(주입량은 조절 가능). 이러한 방식을 일반적으로 액티브(active) 또는 CMF (일정한 질량의 흐름 – Constant mass flow)라고 부른다.

시스템으로 주입되는 기체에는 산소 외에 불활성 기체가 있기 때문에 “산소 재호흡기”와 달리 수심의 제한은 없다.

하지만 대사 작용으로 소모되지 않는 불활성 기체도 계속 주입되므로 루프 체적도 증가한다. 이에 따라 모든 반폐쇄식 재호흡기는 필수적으로 초과되는 기체를 루프에서 배출해야 하며 일반적으로 매 4~5번 호흡시마다 배출이 일어나게 된다.

기체 사용량의 예상은 재호흡기에 따라 다르지만 대략적으로 개방식 호흡기의 ⅕ 정도라고 할 수 있다.

RB80 패시브 반폐쇄식 재호흡기

두번째 반폐쇄식 재호흡기 종류로는 산소 함량이 많은 기체의 주입이 다이버의 RMV(Respiratory Minute Volume / 분당 호흡량) 또는 작업량(호흡 속도)에 따르는 것으로 패시브(passive) 또는 Counter mass ratio (질량비 계산) 유닛이라고 하며 필요한 양의 기체만 주입되도록 동작한다.

이러한 패시브 유닛의 장점은 다이버의 호흡량(RMV)에 따라 필요한 양의 기체만 주입되므로 기체 소모량이 적고 산소 소모량도 적어진다. 이러한 시스템은 개방식 호흡기 보다 약 80% 정도 기체 효율이 좋다.

수심에 따른 카운터렁 체적 보상 장치를 사용하는 이러한 유닛은 산소 비율을 정확하게 추적하는데 더 유리하여 약 3% 내외의 오차 범위를 가지고 있다.

반폐쇄식 재호흡기에 추가적으로 순수 산소를 추가하는 종류도 있는데 다이빙 중 일정한 수심을 유지하는 경우 산소 함량이 높은 기체 주입을 막고 순수 산소만 주입하는 방식이다. 이러한 방식의 재호흡기는 수심이 유지되는 한 폐쇄식처럼 작동한다.

패시브 반폐쇄식 재호흡기 구조도 (출처)

혼합 기체 완전 폐쇄식 재호흡기

rEvo CCR – 레보 폐쇄식 재호흡기

폐쇄식 재호흡기는 반폐쇄식과 비교하여 크게 두가지 차이점이 있다. 첫번째는 호흡 루프에서 기체가 주기적으로 배출되지 않는다는 것과 두번째는 루프내의 산소 부분압(PO2)이 일정하게 유지되므로 FO2(산소 함량)가 수심에 따라 동적으로 변화한다는 점이다. 폐쇄식 재호흡기의 PO2 & FO2 참고

폐쇄식 재호흡기는 산소와 희석 기체(공기, 나이트록스, 헬리옥스, 트라이믹스등)가 독립적으로 공급되는 것이 그 특징이며(독립된 실린더) 산소 주입 시스템은 산소 센서가 연결된 전자 제어 장치(컨트롤러)가 솔레노이드 밸브를 조절한다.

호흡 루프내로 희석 기체의 주입은 수동 또는 자동(일반적으로 카운터렁의 부피가 줄어들면 기체가 주입된다)으로 이루어진다.

전자 제어 시스템의 경우 매우 자세한 정보를 제공하는데 실제 다이빙시에 실시간 감압 계산이 그것이다.

재호흡기 컨트롤러

일반적으로 다이버가 사용하고자 하는 PO2 (셋포인트 / setpoint)를 지정할 수 있으며 이에 따라 감압 효율과 시간이 달라질 수 있다.

호흡 루프내의 PO2값 모니터링은 안전한 호흡 기체 확인을 위한 가장 중요한 요소로 대부분의 재호흡기들이 여러개의 산소 센서와 그 값을 다이버가 확인 할 수 있는 디스플레이 장치를 사용한다.

완전 폐쇄식 재호흡기는 반폐쇄식에 비해 구조적으로 복잡하고 안전한 PO2 수치를 지속적으로 모니터링 해야 하지만 기체 효율은 가장 뛰어나며 PO2가 일정하게 유지되므로 감압에 대한 장점도 크다.

혼합 기체 폐쇄식 재호흡기 구조도 (출처)
  1. DSV (Dive surface valve) / 마우스피스
  2. 호흡 호스 (날숨)
  3. 스크러버 (캐니스터)
  4. 카운터 렁 (호흡 주머니)
  5. OPV (과압 밸브)
  6. 호흡 호스 (들숨)
  7. 산소 실린더
  8. 산소 실린더 밸브
  9. 레귤레이터 1단계
  10. 산소 잔압계
  11. 수동 산소 밸브
  12. CMF 오리피스 (재호흡기 기종에 따라 오리피스가 없을 수 있음)
  13. 솔레노이드 밸브
  14. 희석 기체 실린더
  15. 실린더 밸브
  16. 레귤레이터 1단계
  17. 희석 기체 잔압계
  18. 베일 아웃 밸브(베일 아웃 밸브는 DSV와 합쳐져 있는 형태가 많으며 기종에 따라 없을수 있다)
  19. 희석 기체 수동 밸브
  20. ADV (희석 기체 자동 밸브)
  21. 산소 센서
  22. 컨트롤러(컴퓨터, 센서값을 모니터링하고 솔레노이드 밸브를 작동시킴)
  23. 디스플레이 유닛

재호흡기 종류 – 요약

모든 종류의 공통점

  • 호흡 루프에 기체가 유지된다.
  • 산소 대사 작용으로 인해 이산화탄소(CO2)가 발생된다.
  • 이산화탄소 흡수제가 CO2를 흡수한다.
  • 산소 / 희석 기체 주입으로 기체 부피가 결정된다.

산소 재호흡기

  • 100% 산소 사용
  • 제한적인 최대 수심 (6미터)
  • 작고 구조가 간단하다.
  • 주로 군사 목적으로 사용

반폐쇄식 재호흡기

  • 산소 함량이 높은 희석 기체 단일 또는 산소 + 희석 기체 사용
  • 산소 함량이 높은 기체가 계속 주입되면서 대사 작용을 위한 산소 공급
  • 수심에 따라 작동하는 장치들
  • 개방식에 비해 효율적인 기체 사용

완전 폐쇄식 재호흡기

  • 주기적인 루프내 기체 배출 불필요
  • 일정한 PO2
  • 컴퓨터가 제어하는 산소 주입
  • 각종 백업 장치
  • 실시간 감압 계산 (재호흡기 종류에 따름)

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