의학적 호흡- 효율적인 생명 유지 수단



기도 기계적 호흡의 기원을 살펴보면 조종사들이 보다 높은 고도에서 호흡을 하여야 하는 필요성이 있었던 제2차 세계대전 당시로 거슬러 올라갑니다. 그리고 호흡 치료법은 1950년대 소아마비가 유행한 시기에 급속도로 발전하였습니다.



오늘날, 기계적 호흡은 환자의 자연발생적 호흡이 생명을 유지하기에 부족할 때 권고합니다. 또한 기타 생리적 기능의 쇠약하기 이전에 혹은 폐의 효과적이지 못한 가스 교환을 예방하기 위해 권장합니다. 병원 및 현장에서의 기계적인 호흡은 수술 전후 환자 혹은 우발적인 폐 기능 장애로 고통받는 환자 혹은 급성 만성 폐질환 환자의 기대 여명 향상에 크게 기여하였습니다. 과거에 쾌적도 향상을 위한 요법으로서 간주되었던 자택 치료 요법이 최근에는 인간 수명 연장이라는 경쟁에서 주요한 의학적인 관심으로 떠오르고 있습니다. 예를 들면, 한때는 단순한 불쾌감 정도로 간주하였지만 현재는 주요한 의학적 합병증(혈압 상승, 당뇨병)의 원인으로서 인정되는 수면무호흡증을 치료하기 위해 야간에 사용하는(CPAP라고도 알려진) 보급형 기계 호흡기가 인기를 끌고 있으며 효과적이기도 합니다.



의학적 호흡 기술은 원래 병원의 공급라인으로부터 끌어온 산소 및 압축 공기에 의존하였던 고정된 장치에서, 자체적으로 압력 및 유량을 제어하여 공급할 수 있는 자율적인 휴대장치로 발전하였습니다. 이러한 추세는 폐 수술 후 폐쇄성 수면 무호흡증(OSA)을 갖게 되거나, 전세계적으로 증가하고 있는 주요한 사망 원인인 급성 호흡기능상실 혹은 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)과 같은 보다 심각한 질환을 가진 환자가, 편안하게 가정에서 회복할 필요가 더 커졌기 때문에 더욱 가속화되었습니다.
결과적으로 과거의 밸브 혹은 피스톤 구동 솔루션은 고속의 마이크로 터빈 블로워 구동식 호흡기로 점차 대치되고 있고, 새로운 호흡기는 집중 치료, 자택 치료, 이동식 호흡기 및 신생아 호흡기 등 4개의 주요 범주로 구별될 수 있습니다.




특정 모터 및 팬을 포함하는 고효율 블로워 시스템은 흡기압(IPAP)과 호기압(EPAP)이 단지 모터 속도에만 작용함으로써 발생 및 제어될 수 있도록 설계되었습니다 (그림 1 참조).



100-120 밀리초라는 짧은 순간에 모터 속도를 15,000 에서 60,000rpm 으로 올리거나 내림으로써, 이 최신 호흡기는 환자의 자연발생적인 호흡 패턴에 가장 가까운 모드를 실행하여 치료의 수용력을 극대화하며, 동시에 과거의 터빈 블로워 디자인에서는 가능하지 않았던 삽관식 호흡법 역시 가능합니다. 이제 100 CmH2O 의 압력 및 200L/분을 초과하는 유량은 흔한 요건이며, 브러시리스 모터가 장착된 Portescap 블로워가 이러한 요건을 확실하게 충족할 수 있습니다. 실제로, 브러시리스 기술은 그러한 속도에서도 긴 제품 수명을 제공합니다. 볼 베어링 제조회사들과의 협력 작업 덕분에, 각 응용 요건(속도, 부하, 산소함량, 소음 수준 등)에 맞는 최상의 솔루션이 보장됩니다.


위에서 언급한 이동성 호흡 솔루션의 높은 수요 때문에, 보다 긴 배터리 수명과 보다 높은 효율의 모터에 대한 필요성이 매우 커졌고 중요해졌습니다.
모터 효율을 이해하기 위해 부하를 받는 모터에 의해 발생되는 일부 손실에 대해 검토해보겠습니다. 즉, 와전류 손실과 줄 손실에 대해 살펴봅니다. 만일 와전류 손실과 줄 손실이 최소화되지 않으면 배터리 수명 불량 및 모터 온도의 상승에 직접적으로 영향을 미치며, 차례로 베어링의 수명 및 호흡기의 내부 구성부품 온도에 부정적인 영향을 줍니다. 후자는 흔히 냉각 팬 및 통풍구의 사용으로 이어지며 따라서 호흡기 소음 수준의 상승 및 원가 상승의 원인이 됩니다.



줄 손실: I².R 로서 표시되며 여기에서 R 은 모터의 저항이며 I 는 소비된 전류를 나타냅니다.



그러므로 효율이 좋은 모터는 일을 수행하는 데 전류를 적게 소비하는 반면, 덜 효율적인 모터는 동일한 일을 수행하는 데 훨씬 많은 전류를 소비하므로 그 결과 더 많은 열이 발생합니다. 특정한 코일 디자인 및 최적화된 자기 회로 덕분에, 슬로트와 브러시가 없는 Portescap 모터는 전류의 소비가 매우 적으며 이에 따라 배터리 및 전원공급장치의 크기를 줄여줌으로써 호흡기의 이동성을 크게 개선합니다.


더 나아가, 앞서 설명한 바와 같이 환자의 치료 수용력은 모터로 하여금 호흡기의 속도 증감에 대한 명령에 보다 충실하게 응답하도록 만들었습니다 이것은 다양한 구성부품의 관성 및 가속율을 감안하여 모터가 움직이는 동적인 단계 중에 전류를 소비하는 방식에 영향을 줍니다.


다음을 고려해 봅시다.
Ji: 팬 임펠러의 관성.
Jm: 모터 회전자의 관성.
α: 바람직한 가속도
이들 관성을 가속하는 데 요구되는 토크 T: T = (Ji+Jm).α (1)


이제 또 다음을 고려해 봅시다.
K: 모터의 토크 상수(주어진 전류에서 모터가 토크를 만드는 능력)


가속하에서 소비되는 전류 I는 다음과 같습니다. I=T/k


결과적으로 식 (1)과 결합한다면, 가속하에서 소비되는 전류 I는 다음과 같게 됩니다.



I=(Ji+Jm).α/K



이제 시스템 관성의 최적화는 가속 단계에서의 열 손실을 관리하는 데 매우 중요하다는 사실이 명백해지며, 그 이유는 앞서 본 바와 같이 이것이 소비된 전류의 제곱에 비례하기 때문입니다(I².R). 이러한 측면에서 최종 솔루션을 최적화하려면 마그넷의 등급, 강도 및 치수를 선택하는 능력이 매우 중요합니다.



신생아용과 같이 높은 분당 호흡수 및 낮은 압력과 부피를 요구하는 호흡기는 가속 단계에서의 손실을 최소화하고 최대 90 BPM을 허용하기 위해 16mm와 같은 관성이 작은 모터를 선택할 가능성이 큽니다. 대조적으로, 높은 압력과 보다 큰 부피 그러나 보다 낮은 BPM을 갖는 성인용 생명유지 호흡기는 Portescap 22mm 브러시리스 dc 모터와 같은 보다 강력한 모터를 필요로 할 것입니다.



와전류 손실: 이것은 작동 중인 모터에서 발생하는 또 다른 주요 손실입니다.


이 손실은 강철 앞에서 자기장을 회전시킬 때에 발생하며 열을 발생시킵니다. 이 현상은 모터의 회전자 마그넷이 고정자 라미네이션 앞에서 매우 높은 속도로 회전할 때 모터 내부에서 발생하는 현상과 같습니다. 와전류 손실은 주파수의 제곱에 비례합니다. 현대 호흡기의 압력 및 유량에 대한 요건의 증가 그리고 이에 따른 모터 회전 속도의 요건 증가 때문에, 각각의 호흡용도에 맞는 최상의 모터를 설계할 때 이것을 고려하는 것이 매우 중요합니다. 회전자 자극 쌍의 개수는 그 회전 속도만큼이나 중요합니다. 결과적으로, 브러시리스 Portescap 모터는 한 쌍의 자극으로 최적화되어 있으며 두 쌍을 갖는 모터에서 전형적으로 발생되는 와전류 손실의 1/4 수준입니다.


라미네이션 소재 및 그 두께는 높은 속도에서 발생되는 손실에 매우 큰 영향을 미치므로 최상의 모터 설계를 위해 매우 중요합니다. 낮은 core-loss 철강 라미네이션 소재 및 보다 얇은 두께는 모터의 작동 온도를 낮추어 주지만 모터의 원가에도 곧바로 영향을 주게 됩니다.


마지막으로, 슬로트가 없는 Portescap 모터의 Self-Sustaining 코일 기술은 라미네이션이 필요 없다는 추가이익을 제공합니다. 사실상, 슬로트를 갖는 전형적인 브러시리스 모터 고정자 코일은 그 측면에 생성된 라미네이션 치(laminations teeth)의 주변에 감깁니다(그림 2 참조). 슬로트가 없는 Portescap 모터 디자인의 장점은 빈틈(마그넷과 동선 사이의 간격 부분)에 철이 개입되지 않는다는 것이며 그 결과 iron loss 가 더욱 감소된다는 것입니다. 이 디자인은 보다 부드러운 회전을 가능하게 해주며 그 이유는 마그넷이 고정자 치에 의해 생긴 어떤 선호 위치로도 끌리지 않기 때문입니다. 그 결과 진동 및 소음 수준은 대개 현격하게 줄어듭니다.



결과적으로, Portescap의 최신 모터 디자인의 남은 잔류 손실(와전류 손실, 줄 손실)은 동일한 호흡 요건 하에서(압력, 유량, BPM 등) 이미 널리 인정받은 바 있는 이전 세대의 모터에 비하여 25% 정도의 작동 온도 저하를 가능하게 해주었습니다.


길이는 모터를 선택할 때 고려하여야 하는 또 다른 요소입니다. 실제로, 보다 긴 모터는 k(토크 상수)를 증가시키고 그에 따라 보다 짧은 모터의 경우와 동일한 부하 하에서도 필요한 전류를 감소시켜 주면서, 동시에 손실에 의해 발생된 온도 상승을 보다 적절히 없애줍니다. 와전류 손실이 라미네이션 재료의 양에 따라 증가하지만 관성은 모터 길이가 증가하여도 부정적인 영향은 미미한 수준입니다(물론 그 직경이 증가하는 경우에는 큰 영향을 받습니다).


결론적으로, 최상의 호흡기 모터를 선택하는 것은 균형조정의 문제라고 할 수 있습니다. Portescap은 과거 10년 넘게 지속해온 설계 및 응용 지원을 통해 이러한 문제에 정통하게 되었습니다.사이즈가 전형적으로 큰 편인 ICU 호흡기는 지속적으로 충분한 압력과 속도를 제공하고 최상의 열관리 능력으로 신뢰도를 극대화하기 위해 22mm 길이의 슬로트가 없는 BLDC 모터를 사용할 수 있으며 원가는 자택 치료용 솔루션만큼 민감한 사항은 아닙니다.
자택 치료 및 이동 호흡기의 설계자는 작은 크기, 보다 긴 배터리 수명 효율, 우수한 이동성, 보다 합리적인 비용 및 일시적인 높은 압력과 유량 혹은 높은 동적인 특성을 제공하는 유연성 때문에 중간 길이인 22mm 모터를 선호합니다.


보다 작은 팬 임펠러가 작동하는 신생아 전용 호흡기는 높은 속도와 가속 및 반복되는 계단 함수 사이클을 허용하는 Portescap 16 mm 솔루션과 같은 보다 낮은 관성의 모터를 사용하는 것이 최선입니다.


마지막으로 전반적으로 최상의 유량 발생을 위해서는 모터와 블로워의 통합이 주요한 과제입니다. 샤프트, 전면 플렌지 등 모터의 기계적인 특성은 구성 부품이 최상의 결합을 이룰 수 있는 맞춤 방식(customizable)이 가능하여야 합니다. 추가적으로, 임펠러 조립품 균형 능력, 레이저 및 초음파 용접 능력을 갖춘 Portescap는 압력 및 유량 테스트를 완벽하게 통과한 블로워 조립품을 OEM에 공급할 수 있습니다.




Portescap 소개:
Portescap은 미니어쳐 모터 및 정밀 모터 제어 솔루션 분야에서 인정받는 전문 기업입니다. Portescap은 혁신, 우수한 기술 및 품질 서비스에 대한 열정으로 1931년부터 이 분야를 주도하였습니다. 스위스에서 사업을 시작한 Portescap은 기계식 손목시계 제조산업의 혁명을 가져온 기술을 개발한 바 있습니다. 회사는 그때 독창적인 운동 제어기술을 미니어쳐 모터에 적용하였으며 현재는 브러시 DC, 브러시리스 및 스테퍼 모터 그리고 기어박스 및 피드백 장치를 포함하여, 고성능 전기 기계식 모션 시스템의 글로벌 리더 기업으로서 인정을 받고 있습니다.
슬로트가 없는 Portescap의 브러시리스 모터는 그 우수한 특성 덕분에 의학용 호흡기에서 널리 사용되고 있습니다.


Portescap은 글로벌 기업으로서 미주, 유럽 및 아시아 대륙에 사무소를 운영하고 있습니다. Portescap은 고객 여러분이 새로운 방식을 찾아 성공에 이를 수 있도록 지원할 것을 약속합니다. 저희는 고객의 소리를 경청함은 물론, 수행하는 모든 업무와 설계하는 모든 모터에서 지속적인 개선을 추구하고 우수한 품질과 혁신을 추진함으로써, 저희의 핵심 가치를 지켜나갈 것입니다.

제품에 대한 상세 정보와 연락처 정보는 www.portescap.com을 방문하십시오.

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Portescap

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