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재호흡기 원리

재호흡기-Ⅰ

서울 중부소방서 한정민 | 기사입력 2020/11/20 [10:00]

재호흡기 원리

재호흡기-Ⅰ

서울 중부소방서 한정민 | 입력 : 2020/11/20 [10:00]


스쿠버 다이빙을 하는 사람들은 ‘재호흡기’라고 하면 ‘수중용 재호흡기’를 떠올릴 거다. 일반 소방관들은 화재진압이나 화생방 사고 시에 사용하는 재호흡기를 생각할 거고 광산구조를 하는 대원들은 광산 구조작업을 할 때 사용하는 재호흡기를 얘기할 거다. 우주에 나가서 활동하는 우주복에도 재호흡기가 장착돼 있다. 이처럼 재호흡기는 수중뿐 아니라 다양하게 활용되고 있다.


수중에서 사용되는 재호흡기에는 스쿠버다이빙용 재호흡기뿐 아니라 표면공급용 잠수에서 사용하는 가스를 회수하는 재호흡기와 포화잠수에서 비상용으로 사용하는 재호흡기도 있다.


이번 호에서는 재호흡기가 무엇이고 어떤 원리로 활용되는지 얘기해 보겠다.

 

재호흡기란 무엇일까?

▲ 들숨과 날숨

재호흡기는 간단하게 우리가 마신 공기를 배출하고 다시 마실 수 있도록 해주는 장비다. 재호흡기를 이해하기 위해선 호흡의 원리와 기체교환에 대해 알면 쉽다.


우리의 뇌는 산소를 얻기 위해 호흡을 명령하는 게 아니라 몸속에 과도한 이산화탄소가 발생하면 배출하기 위해 호흡을 하라고 한다. 이때 호흡을 통해서 폐 속으로 들어온 산소는 허파꽈리(폐포)에서 피와 만난다. 산소는 혈액을 타고 온몸을 돌 때 모든 세포에 전달되며 세포는 산소를 이용해 에너지를 만든다. 이때 생기는 이산화탄소는 핏속으로 내보내진다.


이산화탄소는 피를 타고 돌다가 모세혈관을 통해 허파꽈리(폐포)로 이동한다. 그리고 숨을 내쉴 때 몸 밖으로 빠져나간다. 성인 기준으로 1분에 약 18번 숨을 쉬며 한 번 숨 쉴 때 약 500㎖의 공기를 마시고 내보낸다.


이게 바로 호흡의 원리다. 여기서 마시고(들숨) 내쉴(날숨) 때 기체가 교환하는데 이를 기체교환이라고 한다.


오른쪽 그림을 보면 알 수 있듯이 기체의 성분 비율이 다르다. 우리는 약 21%의 산소를 마시지만 실제 우리 몸에서 사용하는 건 약 5%밖에 안 된다. 그렇다고 5%의 산소 성분만 있는 기체를 마셔야 한다는 건 아니다.


또 이산화탄소를 제거하지 않고 마신다면 3%만 돼도 호흡 장애가 일어난다. 4%가 넘으면 두통이나 이명, 혈압 상승, 심박수 감소, 실신, 구토가 일어난다. 6%가 넘으면 호흡수가 급격히 증가하고 8∼10%가 넘으면 의식불명, 청색증이 온다. 20%가 넘으면 중추신경장애가 오고 30%가 넘으면 사망에 이른다.

 

따라서 재호흡을 하려면 산소를 부족한 만큼 보충해줘야 하고 이산화탄소도 제거해줘야 다시 호흡할 수 있는 거다. 이를 도와주는 게 재호흡기다.


100% 산소만을 이용해 재호흡하는 장비가 산소 재호흡기다. 주로 군에서 침투용 장비로 사용됐다. 이 장비는 이산화탄소만 제거해주면 되기 때문에 간단한 원리로 돼 있다.


산소 재호흡기는 산소중독 때문에 6m 이내 사용이라는 수심 제한이 있다. 육상에선 광산구조나 소방에서도 모양을 변형해 사용한다.

 

산소 재호흡기 원리

▲ 산소 재호흡기 회로도(출처 en.wikipedia.org/wiki/Rebreather#/media/File:Oxygen_CCR_loop_schematic.png)


위 그림에서 분홍색 화살표는 날숨이고 하늘색은 들숨이다. 우리가 내뱉은 숨(날숨)은 배기 호스를 통해서 스크러버(이산화탄소 정화통)로 들어가 이산화탄소가 제거된 후 카운터렁(기체 주머니)으로 가게 된다. 이때 이산화탄소 제거는 화학약품으로 하는데 소다 석회(Soda lime)나 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH)을 주로 사용한다.

 

▲ 수동식 완전 폐쇄식 호흡기

이산화탄소가 제거된 기체는 카운터렁으로 배출되고 그 기체를 흡입 호스로 다시 호흡하게 된다. 100% 산소를 사용하기 때문에 추가 산소를 보충할 필요는 없지만 호흡으로 인해 카운터렁이 달라붙으면 들숨의 힘을 이용해 자동흡입밸브에 추가로 산소가 공급된다. 이게 힘들면 수동 바이패스 밸브를 이용해 카운터렁에 산소를 주입하면 원활하게 호흡할 수 있다.


실제로 처음 100%의 산소를 마시고 첫 번째 재호흡을 한다면 100% 산소를 마시는 게 아니고 약 94%의 산소를 마시게 되는 격이다. 나머지는 수증기다. 재호흡을 반복하면서 산소 함유량은 계속 떨어지지만 100% 산소를 이용하기 때문에 저산소증이 발생할 정도로 산소 함유량이 떨어지지 않는다.


그전에 자동이나 수동으로 카운터렁에 산소를 채우기 때문에 적은 산소로도 호흡을 계속할 수 있는 원리다.

 

혼합기체 재호흡기 원리

▲ 혼합기체 재호흡기 회로도(출처 en.wikipedia.org/wiki/Rebreather)


위 그림은 전자식 혼합기체 완전 폐쇄식 재호흡기의 회로도다. 먼저 산소재호흡기와 다르게 여기선 혼합기체가 들어있는 실린더가 따로 있다. 영어로는 딜리언트 실린더라 부르는데 해석하면 희석제가 된다. 이 실린더에는 수심에 따라서 공기나 나이트록스 또는 트라이믹스 기체를 넣을 수 있다.


원리는 먼저 산소 부분압을 정하는데 다이버가 정해서 세팅할 수 있고 재호흡기 회사에서 권장하는 부분압이 있다.

 

▲ 산소센서 셀ㆍ산소모니터링 디스플레이

예를 들어 산소 부분압을 1.0ATA로 세팅했을 때 대기압에서 산소 부분압을 1.0ATA로 만들려면 100%의 산소로 호흡해야 한다. 만약 딜리언트가 공기면 10m에서 산소 부분압이 0.42ATA가 되기 때문에 산소센서를 통해 산소 부분압을 확인한 전자제어 장치는 1.0ATA 부분압을 유지하기 위해 부족한 부분압을 전자제어 솔레노이드 산소 배출 밸브로 산소를 공급해 부분압을 유지하는 방식이다.


이는 산소 모니터링 디스플레이를 통해 다이버가 확인하고 전자제어 솔레노이드 밸브가 작동하지 않으면 산소나 딜리언트 수동 바이패스 밸브로 조작한다. 재호흡기가 이상이 있으면 베일아웃 밸브를 통해 비상기체로 호흡할 수 있다. 근래에 나오는 재호흡기는 베일아웃을 마우스피스와 같이 부착해 바로 비상 호흡을 할 수 있다.


다음 호에서는 재호흡기 역사와 종류, 소방에서의 활용 방안에 관해서 기술하도록 하겠다.

 

 


독자들과 수난구조에 관한 다양한 얘기를 나누고 싶다. 사건ㆍ사례 위주로 공감할 수 있는 내용을 담고자 한다. 만일 수난구조 방법에 관해 궁금한 점이 있다면


e-mail : sdvteam@naver.com facebook : facebook.com/chongmin.han로 연락하면 된다.

 

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서울 중부소방서_ 한정민

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2020년 11월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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