KR20010022005A

KR20010022005A - 깊이 종속 흐름 제어 및 최적의 ｐｏ２ 결정 특징을구비하는 수중호흡 시스템

Info

Publication number: KR20010022005A
Application number: KR1020007000572A
Authority: KR
Inventors: 존 이. 루이스
Original assignee: 존 이. 루이스
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2001-03-15
Also published as: JP2001510112A; AU8300898A; WO1999003524A1; US5924418A; CA2296338A1; US6302106B1; EP0996479A4; EP0996479A1

Abstract

본 발명은 내장형 수중호흡장치(100) 및 방법에 관한 것으로, 호흡 가스가 각각 다른 산소 분압을 가진 두개의 분리된 가스원(110, 112)으로부터 흐름 루프(104)에 공급되며, 각 가스원은 각각 가변 흐름률을 갖는 분리된 매스(mass) 흐름 제어기로 제어된다. 상기 매스 제어기 흐름률은 깊이의 함수에만 종속되어 가변 흐름률로 가스를 전달하도록 적응성있게 조정할 수 있다.

Description

깊이 종속 흐름 제어 및 최적의 ＰＯ２ 결정 특징을 구비하는 수중호흡 시스템 {REBREATHER SYSTEM WITH DEPTH DEPENDENT FLOW CONTROL AND OPTIMAL PO2 DETERMINATION}

종래의 내장형 수중 호흡 장치를 개방 회로와 폐쇄 또는 반폐쇄 회로의 2개 일반 범주로 구분할 수 있다. 개방 회로 시스템은 SCUBA라는 통상의 용어로 인식되며, 가장 일반적으로 사용되는 수중 호흡 장치의 형태이다. Jacques Cousteau에 의하여 개발되고 일반화된 개방 회로 스쿠버 장치는 대개 압축 공기로 채워진 고압 탱크를 포함하고, 이 고압 탱크는 사용자가 비교적 쉽게 호흡할 수 있도록 사용자(예를 들어, 잠수부)의 주위 압력에 따라서 사용자에게 호흡 가스를 공급하는 요구 조절기(demand regulator)에 연결된다.

종래의 개방 회로 내장형 잠수 시스템은 해당 기술분야에 매우 잘 알려져 있으며, 과거 수년동안 다양한 가스 전달 시스템이 개발되었고, 다양한 애플리케이션용으로 구성되었다. 예를 들어, 일반적인 스포츠 잠수용 혼합 가스로 압축 공기가 사용되나, 대략 50미터(150 피트) 이상의 깊이에서의 잠수 활동용 호흡 혼합 가스는 하나 이상의 인공적인 혼합 가스를 포함할 수 있다.

개방 회로 스쿠버 장치는 비교적 간단하지만, 적어도 압축 공기에 있어서, 필요한 장비는 크고, 무거우며 또한 디자인 자체가 원천적으로 호흡 가스의 이용면에서 비효율적이다. 호기된 호흡 각각은 주위환경으로 강제 배출되기 때문에, 호흡중 사용자가 흡수하지 못한 모든 산소가 낭비된다. 호흡 가스의 사용에 있어서 이러한 비효율성은, 통상 잠수부로 하여금 적당한 잠수 시간을 확보하기 위하여 많은 양의 호흡 가스를 휴대하도록 한다. 예를 들어, 종래의 개방 회로 스쿠버 장치는 일반적으로 약 80 입방 피트(40 lbs 이상의 무게)의 가스 체적을 갖는 압축 공기 탱크를 포함한다.

잠수부가 하강할 때, 매 30 피트의 깊이 당 주변 기압이 약 1 대기압 정도 증가한다는 것은 공지의 사실이다. 따라서 깊이가 증가할수록 가스 소비가 급격히 증가한다. 잠수부가 약 150 피트 이하로 잠수하면, 주변 기압이 상승하고 따라서 호흡 가스의 압력이 증가하여 잠함병(nitrogen narcosis) 및 산소 중독과 같은 잠수부를 치사시킬 수 있는 심각한 생리학적 문제가 발생된다.

또한 100피트 이상에서 짧은 기간동안의 잠수라도 소정 양의 감압 시간이 필요하며, 이 감압 시간은 감압에 적응하기 위하여 잠수 후 충분한 양의 호흡 가스가 남도록 반드시 사전에 계산되어야 한다. 따라서 상대적으로 단순하고 저가이지만, 개방 회로 스쿠버 장치는 그 구조와 구성 때문에 잠수 깊이와 시간 모두에 있어서 여러 가지 실제적인 제한이 있다.

도 1에 묘사된 가장 일반적인 형태의 개방 회로 스쿠버 장치는 개방 회로 요구형(demand-type)으로 요구 조절기 밸브와 결합된 압축 공기 탱크를 사용한다. 요구 조절기 밸브는 공기의 호흡에 의한 잠수부(18)의 요구에 따라서 탱크로부터 공기를 제공한다. 압축 공기 공급 탱크(10)는 제1단 조절기(12; 고압임)에 연결된다. 제1단 조절기(12)는 시스템의 잔여 부분이 사용하기 적절한 일반적으로 균일한 저압의 값으로 탱크내의 공기 압력을 감소시킨다. 저압 공기(대략 150 psi)는 종래 방식의 요구 밸브(16)에 의하여 제2단 조절기(14)로 전달된다. 실린더 압력의 압축 공기는 잠수부 주위의 압력으로 2단계를 거쳐 감압된다. 제1단계는 탱크 압력 이하로 감압(그러나 주위 물의 압력 이상임)하고, 제2단계는 가스 압력을 주위 압력 또는 물의 압력으로 감압한다. 요구 밸브는 단방향 밸브로 기능하는, 격판 구동, 레벨로 동작하는 스프링-적재 포팻(poppet)으로, 잠수부의 호흡에 의한 격판의 이동에 따라서 공기 흐름의 방향으로 개방된다.

내장형 호흡 장치의 제2 형태는 폐쇄 회로 또는 반폐쇄 회로 호흡 장치로, 통상 수중호흡기(재호흡기; rebreather)라 불린다. 이름이 암시하는 바와 같이, 수중호흡기(재호흡기)는 잠수부가 호기 가스(exhaled gas)를 다시 호흡하도록 하여 가장 효율적인 형태로 산소 내용물(oxygen content)을 거의 전부 사용할 수 있도록 한다. 사람이 매 호흡당 들이마시는 산소 중 오직 일부만이 실질적으로 신체에 의하여 사용되므로, 이 산소중 대부분은 잠수부가 생성한 소량의 이산화탄소와 질소와 같은 불활성 가스와 함께 호기된다. 호흡기 시스템은 생성된 이산화탄소를 제거하고 잠수부가 소비한 양을 보충하기 위하여 시스템의 산소 함유물을 보충하여 공급 가스의 산소 함유량 대부분을 거의 전부 사용하도록 한다.

상술한 2가지 형태의 수중호흡 시스템은 소수의 필수 구성요소를 포함한다. 즉, 흐름 방향을 제어하기 위한 밸브를 갖는 흐름 루프(flow loop), 카운터렁(counterlung) 또는 호흡 백, 호기된 이산화탄소를 흡수 또는 제거하기 위한 세정기(scrubber), 및 주변 압력이 증가함에 따라서 카운터렁에 가스를 부가하는 일부 수단으로 구성된다. 밸브는 상기 흐름 루프내의 가스 흐름을 일정한 방향으로 유지하며, 잠수부의 호흡장치(lungs)가 동력을 제공한다.

도 2에 예시된 전형적인 반폐쇄형 수중호흡기 시스템은 통상 소정 비율의 산소를 갖는 특정 가스 혼합체를 포함하는 압축 가스 실린더(20)를 포함한다. 이 가스는 신축성 있는 호흡 백(24)(카운터렁이라고도 함)과 실린더(20) 사이에 연결되는 흐름 루프(22)―여기서 흐름 루프는 신축성이 있으며, 가스가 침투할 수 없는 호스에 의하여 구현됨―에 공급된다. 단방향 체크 밸브 한 쌍(26 및 28)이 흐름 루프 내에 배치되어, 루프내의 가스 흐름이 일 방향(도 2의 예시의 경우 시계방향)으로 유지된다. 호기(exhaled breath)는 카운터렁으로 들어가 카운터렁의 압력을 증가시키며, 단방향 체크 밸브(26)를 통과하여 일부 장치수단(예를 들어 CO₂여과통(canister; 30))으로 이동하여 호흡 가스로부터 과잉 이산화탄소를 제거하고, 단방향 체크 밸브(28)를 통하여 카운터렁으로 복귀한다. 따라서 잠수부의 호흡장치가 시스템의 이산화탄소 여과통(30)을 통하여 가스를 이동시키는 동안, 체크 밸브는 가스 흐름을 일정 방향으로 유지한다. 잠수 중 잠수부의 산소 요구량을 유지하도록 계산된 흐름률(flow rate)로 가스 혼합체가 흐름 루프에 도입된다. 가스는 흐름 루프와 가스 실린더(20) 사이에 연결된 밸브(32)를 통하여 일정한 고정 속도로 흐름 루프에 도입된다. 호흡 가스 혼합체가 재순환되면, 일부 산소가 반드시 소비되고 이산화탄소가 흡수되어 가스의 총 체적 및 혼합율을 교란한다. 재순환 중에 일정 부분의 산소가 소비되고 따라서 잠수부는 반드시 가스 혼합체의 산소 농도보다 낮은 산소 농도를 갖는 혼합체를 호흡하게 된다. 시스템에 제공되는 산소량은 잠수부의 활동 레벨(산소 소비율)에 따라 다르기 때문에, 특정 잠수 깊이에 대하여 가스 혼합체의 성분 선택뿐만 아니라 산소 소비율의 고려에도 신중해야 한다.

더욱 효율적인 수중호흡기 시스템인 폐쇄회로형 수중호흡기가 도 3에 단순화된 형태로 예시된다. 폐쇄회로형 수중호흡기는 일반적으로 더욱 복잡하며 흐름 루프내 산소 레벨의 유지에 효과적이다. 그럼에도 불구하고, 폐쇄회로형 수중호흡기는 반폐쇄형 수중호흡기 시스템과 도 2에 도시된 것과 같은 공통 구성요소를 공유한다. 전폐쇄형과 반폐쇄형 수중호흡기 시스템의 주요한 차이는, 폐쇄회로형 수중호흡기는 순수 산소원을 흐름 루프에 설치하며 시스템의 질량이 유지되도록 잠수부가 소비한 양과 거의 동일한 양만큼의 산소를 재순환 가스에 도입하는 것이다. 산소센서(도 3의 34)는 산소레벨(좀더 정확하게는 산소 분압)을 전자적으로 감시하며, 처리회로(도 3의 36)는 산소센서의 출력을 평가하고, 다음 산소센서에 의해 산소가 고갈되었음이 표시되면 전기적으로 동작하는 솔레노이드 밸브를 제어하여 산소를 시스템에 공급한다. 폐쇄회로형 수중호흡기는 산소센서(34)가 부가적인 산소가 필요함을 표시하거나 또는 하강중 주위 압력의 증가 및 카운터렁의 붕괴를 방지하기 위한 희석제의 첨가시에만 시스템에 가스를 도입함을 알아야 한다. 산소는 반폐쇄회로형 시스템의 정상 상태 흐름과 상반되게 간헐적(in pulse)으로 첨가되며 또한 항상 감시될 필요가 있다. 주위 압력의 증가로 카운터렁이 붕괴되면 활성화되는 요구 밸브에 의하여 희석제가 카운터렁에 첨가된다.

산소의 소정 분압이 폐쇄회로형 수중호흡기 시스템에 설정되면, 이 산소의 분압은 잠수부의 외부 환경 및 그 환경에 대한 모든 변화와 무관하게 산소센서(34) 및 처리회로(36)의 작용에 의하여 유지된다는 것을 또한 알아야 한다.

소정 호흡 가스 혼합체내의 산소 분압은 혼합 가스 내에 다른 가스(예를 들어 질소)가 없다고 가정한 경우 산소 단독으로 갖는 압력으로 이해될 수 있다. 산소의 생리적인 효과는 혼합체의 분압에 따라 다르며, 너무 높거나 낮은 산소 분압으로부터 심각한 결과가 초래된다. 예를 들어, 산소 분압이 해수면의 공기내 산소 분압(0.21 대기압)보다 매우 높게 증가하면 산소는 급격히 독성화된다. 산소 분압이 매우 낮은 곳에서, 잠수부는 어떠한 불편이나 호흡 단축을 반드시 경험하는 것은 아니며, 심지어 많은 경우에 있어서 정신을 잃기 직전까지 산소 부족을 지각하지 못한다. 카운터렁의 체적에 따른 상대적으로 짧은 시간 안에, 잠수부는 의식을 잃게되고 결국은 저산소로 사망한다. 잠수부는 거의 불편을 느끼지 못하며, 사실 오히려 행복감(euphoric)을 느낄 수 있다. 이 병적인 행복감은 저산소증의 전형적이고 또한 특징적으로 위험한 측면이다.

한편, 과도한 산소로부터 산소 중독이라고 불리는 다양한 형태로 귀착되는 심각한 생리적 효과가 나타날 수 있다. 여러 가지 중요한 산소 중독의 형태가 있지만, 중추신경계 중독(central nervous system toxicity)과 폐(또는 전신) 산소 중독이 다양한 수중호흡기 시스템의 동작 구성에 관계한다. 대부분의 모든 수중호흡기 시스템은 잠수부에게 잉여 산소(excess oxygen)를 전달할 수 있는 산소 공급 요소를 포함한다. 이 경우 잉여 산소는 소정의 허용한계를 초과하는 산소 분압으로 정의된다. CNS 산소 중독의 허용한계―즉, CNS 한계는 잉여 산소의 정도에 따라서 다양한 기간동안 허용되는 산소 분압 레벨을 정의함―는 가장 중요한 한계로 1991년에 국립해양대기권국(NOAA)의 잠수 매뉴얼에 정의되어 있으며, 당업자는 그 내용을 잘 파악하고 있다. CNS 중독은 산소 분압이 일반적으로 허용되는 한계인 1.6 대기압을 초과하는 경우 중요한 고려사항이 된다. CNS 중독은 다양한 증상의 원인이 되며, 가장 심각한 증상은 간질 발작과 유사한 산발성 경련이다. 이 경련은 일반적으로 2분 동안 지속되며, 그 후 잠수부는 의식을 잃게된다.

1.6 대기압 레벨이 초과되지 않는 경우, 폐 또는 전신 중독이 CNS보다 문제가 된다. 대략 0.5 대기압보다 큰 산소 분압에 장기간 노출되어 과도하게 노출된 결과로, 회복 가능하거나 회복할 수 없는 폐 염증을 유발하는 폐 산소 중독이 발생한다.

상술한 바로부터 명백한 바와 같이, 호흡 가스 혼합체 내의 산소 분압은 0.21 대기압 내지 약 1.6 대기압의 범위내 값으로 유지되어야 한다. 또한, 폐 산소 중독의 염려가 없는 경우, CNS 중독의 염려가 없는 최대값 즉 1.6 대기압이 최적의 산소 분압 선택이 된다. 최대 실용 한계값으로 산소 분압을 최대화시키는 것은 희석제의 분압 및 감압이 필요하게 되는 희석제의 생리적 흡수를 최소화하는 효과가 있다. 따라서 산소 분압이 증가하는 범위 내에서, 분압의 증가에 상응하여 감압 시간이 감소한다. 그러나 장기간의 잠수 또는 반복적인 잠수를 위하여, CNS 중독보다 폐 산소 중독이 부가적인 제한을 부과한다. 이 제한은 낮은 산소 분압을 선택하여 회피될 수 있다. 공지의 폐 중독 한계, 호흡 가스 탱크 용량 및 감압을 고려하여 낮은 산소 분압을 선택한다.

따라서 모든 깊이의 모든 조건에 최적인 혼합 가스내 특정의 산소 분압은 존재하지 않는다. 일조의 인자(one set of factors)는 비교적 높은 산소 분압이 바람직하다고 표시하는 경향이 있지만, 다른 일조의 인자들은 항상 높은 산소 분압이 바람직하다고 표시하지 않는 경향이 있다.

종래의 일반적인 시스템은 Clough 등에게 특허된 미국 특허 제4,939,647호에 개시된 혼합 가스형, 폐쇄회로형 수중호흡기 시스템이다. Clough 등의 시스템은 종래의 Rexnord CCR 155 형의 폐쇄회로형 수중호흡기―여기서 폐쇄회로형 수중호흡기 시스템은 압축 불활성 가스와 산소를 공급하는 별개의 소스 용기를 포함함―에 기반을 두고 있다. 불활성 가스는 깊이가 증가함에 따라서 루프의 체적을 유지하도록 요구 조절기에 의하여 시스템의 호흡 루프로 공급되며, 잠수부가 산소를 소비하면 호흡 루프로 산소가 공급된다. 루프내 산소 분압은 전자적으로 감시되고 CNS 임계값 이하로 기설정된 레벨로 유지된다. 시스템은 다수결(majority-vote)로 동작하도록 배치된 3개의 산소 센서를 포함한다. 산소 센서는 루프내 산소 분압을 결정하기 위한 감지 기능을 제공한다. 산소 분압은 잠수부의 프로필에 따라서 조절 가능하지만, 일단 소정 값이 기설정되면 이 값은 단정적인 재조절이 없는 경우 유지된다. 결과적으로, Clough 등의 시스템은 잠수부의 프로필에 불필요한 제한이 된다.

Kanwisher 등에 특허된 제3,727,626호 및 Manley 등에 특허된 제4,236,546호에 유사한 수중호흡기 시스템이 개시된다. 상기 개시된 시스템은 양자 모두 폐쇄회로형 수중호흡기로 특정의 소정 값으로 호흡 루프의 산소 분압을 유지하기 위한 전자장치를 포함한다.

P_O2의 기설정 값에 의하여 잠수시간이 감소되고 비생산적인 감압시간이 증가될 수 있다. 본 발명의 목적은 이러한 제한을 방지하는 것이다.

본 발명은 일반적으로 잠수 시스템에 관한 것이며, 좀더 상세하게는 호흡 혼합가스중 산소 분압을 제어하고, 잠수를 최대화하며, 감압 시간(decompression time)을 최소화시키도록 가변 전달율을 갖는 2개의 분리된 가스원을 포함하는 폐쇄 회로 및 반폐쇄 회로 수중호흡기에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 개방회로형 수중호흡 장치를 블록도 수준으로 일반화한 반-개략도(semi-schematic)이다.

도 2는 종래 기술에 따른 반폐쇄회로형 수중호흡기 시스템을 블록도 수준으로 일반화한 반-개략도이다.

도 3은 종래 기술에 따라서 산소 부유 호흡 가스 공급 탱크, 희석 가스 공급 탱크, 및 산소 센서를 포함하는 폐쇄회로형 수중호흡기 시스템을 블록도 수준으로 일반화한 반-개략도이다.

도 4는 본 발명의 원리에 따라서 반폐쇄회로형 수중호흡기 시스템을 블록도 수준으로 일반화한 반-개략도이다.

도 5는 본 발명의 원리에 따라서 산소 및 희석제 흐름률을 깊이의 함수로써 도시한, 산소 소비의 넓은 한계를 구체화한 단순화된 그래프이다.

도 6은 본 발명의 원리에 따라서 산소 및 희석제 흐름률을 깊이의 함수로써 도시한, 산소 소비의 좁은 한계를 구체화한 단순화된 그래프이다.

도 7은 하강율의 함수로써 산소 분압 1.6을 초과하는 임계깊이를 도시한 예시적이며 단순화된 그래프이다.

도 8은 다양한 산소 분압의 값에 대하여 다양한 깊이에서 무감압 시간(No D time)과 함께, 산소 분압의 함수로써 잠수시간(분)을 도시하는 예시적이며 단순화된 그래프이다.

도 9는 도8의 산소 분압과 잠수시간을 도시하는 그래프에 중첩된 폐 중독 한계를 도시하는 예시적이며 단순화된 그래프이다.

도 10은 바닥시간(bottom time), 무감압 시간 및 산소 중독 시간 한계가 최적이 될 수 있도록 잠수 프로필을 결정하는 방법을 설명하는 예시적이며 단순화된 그래프이다.

도 11은 본 발명의 원리에 따라서 폐쇄회로형 수중호흡기 시스템을 블록도 레벨로 일반화한 반-개략도이다.

본 발명에 따른 반폐쇄회로형 수중호흡기 시스템은 소정의 기설정 범위 내로 산소 분압을 유지하는 흐름률(flow rate)에 따라서 잠수부에게 호흡 가스 혼합체를 공급한다. 흐름률은 주변 압력(깊이)의 함수로써 전적으로 결정된다. 반폐쇄회로형 수중호흡기 시스템은 호흡 가스 혼합체를 카운터렁을 포함하는 흐름 루프에 공급하도록 구성된, 산소 부유 가스원(oxygen rich gas source)과 희석 가스원(diluent gas source)을 포함한다. 산소 부유 가스원과 희석 가스원은 각각 소정의 서로 상이한 산소 비율을 포함하며, 제1 및 제2 흐름 밸브는 상기 가스원과 흐름 루프 사이에 연결된다. 흐름 제어 밸브 각각은 가변 흐름률을 가지며, 상황에 따라 각 가스원의 흐름률을 조정하여, 오직 깊이의 함수로써 카운터렁 내의 산소 분압을 기결정 범위내에서 유지한다.

본 발명의 일 특징에 따라서, 산소 부유 가스원은 산소 비율이 1.0인 순수 가스를 포함한다. 희석 가스원은 산소 비율이 0.21인 압축 공기를 포함한다. 산소원과 공기원의 흐름률은 상황에 따라서, 최소 및 최대 산소 소비율, 최소 및 최대 산소 분압, 산소 부유 가스원과 희석 가스원의 산소 비율 및 깊이로 정의되는 알고리즘에 의해 오직 깊이의 함수로써 조정된다. 산소 소비, 산소 비율, 및 산소 분압은 기결정된다. 변수는 오직 깊이이며, 알고리즘은 오직 깊이로써 흐름률을 정의한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라서 개시된 폐쇄회로형 수중호흡기 시스템은 신호처리회로━여기서 신호처리회로는 상기 센서로부터의 주위 압력 신호를 수신하고 흐름 밸브에 제어 신호를 제공하여, 최대 잠수 시간을 부여하는 잠수 프로필을 구성하기 위한 탱크 용량, 깊이에 따른 무감압 시간(no-decompression time) 및 폐 중독 제한의 해석에 따라서 결정된 특정 값으로 산소 분압을 유지함━에 연결된 산소센서를 포함한다. 산소 분압에 대한 최적해가 깊이에서의 무감압 시간으로 폐 중독 시간 제한과 탱크 용량 시간 제한을 일치시켜 외한(outer bound)을 제공하는 알고리즘에 따라서 계산된다. 본 발명에 따라서 특정 산소 분압 값(예를 들어, 0.5와 1.6)이 한계값으로 선택된다.

흐름률 결정(FLOW RATE DETERMINATION)

종래의 반폐쇄회로형 수중호흡기 시스템의 중요한 한계는 흐름 루프와 카운터렁에 일정한 매스 흐름(mass flow)으로 제공되는 고정 산소 비율을 포함하는 호흡 가스가 제공된다는 점에 있다. 당업자들이 잘 이해하고 있는 바와 같이, 고정된 비율의 호흡 가스 혼합체가 제공되기 때문에, 공급된 가스의 산소 분압은 반드시 깊이에 따라 증가한다. 따라서 잠수부가 잠수 깊이를 엄격히 제한하여 CNS 산소 중독을 방지할 필요가 있다. CNS 산소 중독은 1.6 대기압을 상회하는 산소 분압에서 발생한다. 일정한 매스 흐름 반폐쇄회로형 수중호흡기 시스템은 얕은 깊이에서 필요 이상의 빠른 속도로 가스를 전달한다.

본 발명의 원리에 따라서, 수중호흡기 시스템(도 4를 참조하여 이하 자세하게 설명함)은 반폐쇄회로형 수중호흡기로 구성되지만, 1개의 호흡 가스원을 포함하는 종래의 반폐쇄회로형 수중호흡기 시스템과 상이하다. 본 발명에 따른 시스템은 2개의 가스원을 요구한다. 제1 가스원은 산소 또는 약 0.6 내지 약 1.0의 산소 비율을 갖는 산소 강화(enriched) 가스를 포함하는 탱크로 구성된다. 제2 가스원은 산소 함유량보다 낮거나 0인 희석 가스로 충전된 탱크로 구성된다. 희석 가스는 산소 비율이 0.21인 공기이거나 적절한 불활성 가스이거나 또는 통상의 희석 가스 혼합체이어서 희석 가스의 산소 비율은 약 0.0에서 약 0.21 사이에서 변화할 수 있다. 본 발명의 수중호흡기와 관련하여 설명되는 바와 같이, 각 가스원 또는 공급 탱크는 독립적인 제어 밸브를 포함하여 알고리즘―여기서 알고리즘은 깊이(외부 주위 압력), 산소 분압(P_O2)의 최소 및 최대 허용값, 및 산소 소비의 최소 및 최대 예상값에 의하여 정의됨―에 의하여 특정된 개별적이고 독립적인 흐름률을 달성한다.

산소 분압의 최소 및 최대 허용값의 범위는 0.21 대기압에서 약 1.6 대기압이며, 하한은 저산소증을 회피하기 위한 필요에 의하여 결정되며, 상한은 CNS 산소 중독 안정 한계(safety limit)에 의하여 결정된다. 또한, 산소 소비의 최소 및 최대 예상값은 본 발명에 따라서 분당 0.5 표준리터(standard liter per minute; SLM) 내지 약 3.0 SLM의 범위에서 설정된다. 산소 소비값의 범위는 대부분의 작업 환경에서 대부분의 잠수부에게 적절하도록 실험적으로 결정되는 것이 일반적이다.

상기 주어진 산소 분압의 최소 및 최대값과 산소 소비의 예상값은 설명을 목적으로 한 것이며 어떠한 의미에서 엄격히 제한할 필요가 없음을 이해할 수 있다. 산소 분압의 하한 허용값을 0.2 대기압에서 약 0.14 대기압으로 낮출 수 있으며 이 경우도 저산소증을 회피하기 충분한 산소 농도가 호흡 가스 혼합체에 유지된다. 이 감소된 산소 분압 값은, 비행 승무원이 순수 산소원을 흡입하기 전에 최대 3048 미터의 고도까지 주위 압력의 공기를 호흡할 수 있다는 미공군 안전 표준에 일치한다. 따라서 본 발명을 설명하고 그 한계를 설정하는데 유용하지만, 산소 분압과 산소 소비의 실제적인 특정 최소 및 최대값은 본 발명의 사상 및 범위를 위반하지 않고 변화할 수 있다. 더욱이, 이하의 설명에서 더욱 자세히 설명되는 바와 같이, 0.5 내지 3.0 SLM의 산소 소비값은 경험 많은 잠수부가 실제적으로 얻을 수 있는 값보다 매우 넓다. 산소 소비의 넓은 범위는 애플리케이션의 다양성을 위한 것으로, 축소될 수 있다.

서로 다른 산소 분압과 독립적인 흐름 제어를 갖는 2개의 탱크로부터의 흐름 루프 P_O2의 동적인 해석을 고려하기 전에, 외부 주위 압력(즉, 깊이)의 함수로써 흐름 루프내 산소 분압을 재고할 필요가 있다. 그러나 알고리즘을 정의하기 위하여 제1 원칙으로 되돌아갈 필요가 있다.

수중호흡기 시스템에 있어서, 잠수부가 하강함에 따라서 주위 압력이 증가하는 것은 공지이고, 잠수부의 허파와 수중호흡기 흐름 루프의 압력 모두 깊이와 함께 증가한다. 수중호흡기가 잠수부의 호기와 흡기에 따라서 카운터렁이 팽창하고 수축하는 동적인 시스템이면, 잠수부의 허파와 카운터렁 사이의 가스 교환에 근간을 이루는 원리는 공급 탱크로부터 수중호흡기 시스템으로의 준-정상상태 가스 흐름, 수중호흡기 시스템으로부터 주위 환경으로의 잉여 가스의 흐름, 및 잠수부에 의한 산소의 소비에 따른 흐름 루프로부터의 산소 추출이다. 또한, 최소 카운터렁 산소량은 잠수부의 산소 소비율이 최대일 때 발생하고, 최대 카운터렁 산소량은 잠수부의 산소 소비율이 최소일 때 발생함을 알 수 있다. 흐름 루프내 준-정상상태 가스 흐름을 평가한다. 이 근본적인 프로세스에 대한 기본 식은 다름에 의하여 주어진다.

각 항은 다음과 같이 정의된다.

V_FL은 흐름 루프내의 체적이며, 단위 리터의 카운터렁을 포함한다.

M_FL은 단위 그램당 흐름 루프내 가스의 총 질량이다.

M_O2는 단위 그램당 흐름 루프내 산소의 질량이다.

Mn은 가스 혼합체의 무차원(nondimensional) 분자량이다.

m_O2는 산소(32)의 무차원 분자량이다.

T_FL은 켈빈 단위(K°)로 표시된 평균 온도이다.

P_AMB는 주위 압력이다.

종래 기술에서 잘 알려진 바와 같이, P_ATM은 식 P_AMB= 1 + D/D_ATM을 통해 깊이 D와 관련되며, 여기에서 D 및 D_ATM은 둘다 물의 깊이로 표현되고, D_ATM은 주위 압력이 대기에 의해 1씩 증가되는 깊이(바닷물에서는 D_ATM= 33 피트임)이다.

이 알고리즘에서는 산소(P_O2)의 분압이 중추 신경계(CNS) 중독 예방에 허용 가능한 최대 PO₂및 저산소증 예방에 요구되는 최대 P_O2까지 제한되어야 한다. 예시 목적용의 통상적인 값은 각각 1.6 및 0.21로 취해질 것이다. 이 시스템에 대한 이러한 제한을 부여하기 전에, 먼저 흐름 루프 내에서의 전체 매스 및 산소의 보존을 평가할 필요가 있다. 이러한 평가는 용이하며, 방정식 1 및 2를 미분하고 수중호흡 흐름 루프의 내부 및 외부로의 매스 흐름을 계산하는 것을 포함한다.

흐름 루프 내부 및 외부로의 매스 흐름에 대해서, 매스가 소비되고 있는 것보다 더 많은 비율로 시스템에 추가되는 경우에는 흐름 루프의 체적이 변하지 않는다, 즉 dV_FL/dt = 0 라는 점이 이해되어야 한다. 또한, dP_AMB/dt 양은 DR/33으로 표현될 수 있으며, 여기에서 DR은 잘 알려져 있는 하강 비율(descent rate)이고, DR/33은 분당 기압의 단위를 갖도록 분당 피트로 표현된다.

다음의 미분에 있어서 항(term)은 재배열되고, 용적의 흐름률(volumetric flow rate)은 STPD, 즉 표준 온도(0℃), 압력(1 기압), 및 건조상태(dry) 단위로 표현된다. 이들 항에서 온도 차이를 무시하는 경우, 결과적인 방정식은 단순화된 형태로 다음과 같이 표현된다.

P_AMBV_FL(dP_O2/dt)=F_O2P_AMBV_O2+F_AIRP_AMBV_AIR-P_AMBO₂-P_O2[V_O2+V_AIR-O₂-V_FL(DR/33)]

여기에서 탱크 흐름률인 V_O2및 V_AIR, 및 산소 소비율인 O₂는 이하 분당표준리터(standard liters per minute; SLM)로 표현된다.

공통 항을 제거하고 흐름률 계수를 모으면 주 관리 방정식은 단순화된 형태로 다음과 같이 표현된다.

P_AMBV_FL(dP_O2/dt)=V_O2(F_O2P_AMB-P_O2)+V_AIR(F_AIRP_AMB-P_O2)-O₂(P_AMB-P_O2)+P_O2V_FL(DR/33)

본 발명의 기본적인 특징으로는 산소의 분압이 최대를 초과하는 경우에는 흐름 루프 내의 PO₂가 감소된다는 요구조건이 있다. 이것은 P_O2≥P_O2 ^max(1.6 기압)인 경우 dPO₂/dt<0이어야 한다는 것과 동일하다. 또한, 본 발명의 기본적인 특징으로는 산소의 분압이 최대 허용치 이하인 경우에는 분압이 증가된다는 점이다. 상기한 최대치의 경우와 마찬가지로, 이것은 PO₂≤PO₂ ^min인 경우에는 dPO₂/dt>0이어야 한다는 것과 동일하다. 이들 조건은 모두 다음의 방정식에 따라 최소 및 최대 산소 소비율에 균등성(equality)이 부여되는 경우에 만족될 것이다.

[식 5]

V_O2(F_O2P_AMB-P_O2 ^MAX)+V_AIR(F_AIRP_AMB-P_O2 ^MAX)=O₂ ^MIN(P_AMB-P_O2 ^MAX)-P_O2 ^MAXV_FL(DR/33)

[식 6]

V_O2(F_O2P_AMB-P_O2 ^MIN)+V_AIR(F_AIRP_AMB-P_O2 ^MIN)=O₂ ^MAX(P_AMB-P_O2 ^MIN)-P_O2 ^MINV_FL(DR/33)

O₂ ^MIN, O₂ ^MAN, PO₂ ^MIN, 및 P_O2 ^MAN에 대한 특정 값에 있어서, 이들 방정식은 깊이 및 잠수부가 하강하거나 상승하는 도중의 깊이 변화율만의 함수로써 요구 탱크 흐름률에 대해 해결될 수 있다. 본 발명에 따르면, 방정식 5 및 6의 항들은 산소 및 희석제 탱크(diluent tank)로부터의 흐름률이 계수들에 의해서만 표현되도록 재배열되어, 차례로 다른 탱크 내에 가스 중 산소가 차지하는 비율(oxygen fraction), 최대 및 최소 허용 가능한 산소 분압, 최대 및 최소 산소 소비 비율 및 주위 압력, 또는 깊이에 종속된다. 본 발명의 알고리즘에 대한 관리 방정식은 다음과 같다.

[식 7]

V_O2=(CE-BF)/(AE-BD) 및 V_AIR=(AF-CD)/(AE-BD)

여기에서, A=(F_O2P_AMB-P_O2 ^MAX)이고,

B=(F_AIRP_AMB-P_O2 ^MAX)이며,

C=O₂ ^MIN(P_AMB-P_O2 ^MAX)-P_O2 ^MAXV_FL(DR/33)이고,

D=(F_O2P_AMB-P_O2 ^MIN)이며,

E=(F_AIRP_AMB-P_O2 ^MIN)이고,

F=O₂ ^MAX(P_AMB-P_O2 ^MIN)-P_O2 ^MINV_FL(DR/33)이다.

여기서 O₂ ^MIN, O₂ ^MAX, P_O2 ^MIN및 P_O2 ^MIN는 각각 0.5, 3.0, 0.21 및 1.6의 전형적인 값을 갖는 특정 설계 파라미터이고, 여러 가지 공급 탱크의 산소가 차지하는 비율(F_O2, F_A)은 사용자에 의해 선택될 수 있으며, 상기 관리 방정식의 적절한 해답(solution)과 일관되는 임의의 값을 포함할 수 있다.

두 개의 공급 탱크에서 산소가 차지하는 비율은 통상적으로 약 0.21 내지 1.0의 값을 가지며, 이들은 각각 공기 및 순수 산소를 나타낸다.

반폐쇄회로(semi-closed circuit) 실시예

관리 방정식 7로부터 유도된 (일정 깊이의) 평형 흐름률(equilibrium flow rate)의 특정 예가 도 5에 도시되고, 이 평형 흐름률에 대한 통상적인 값 및 산소 소비와 관련된 여러 가지 비율에 대한 결과적인 P_O2는 다음 표 1에서 부여된다.

[표 1]

표 1 및 도 5의 그래프에 있는 값들은 순수 산소로 채워진 제1 탱크 및 공기로 채워진 제2 탱크를 사용하여 산출된 것이다. P_O2의 최소값 및 최대값은 각각 0.21 및 1.6으로 선택되고, 산소 소비율의 최소값 및 최대값은 각각 0.5 및 3.0으로 선택된다. 도 5로부터, 산소 탱크에 대한 흐름률은 얕은 깊이(약 20 피트)에서 분당 3리터의 최대값이 되고, 또한 깊이가 200 피트에 접근함에 따라 분당 1리터보다 적은 값으로 감소하는 것을 알 수 있다. 첨부한 공기 탱크에 대해서는 약 20 피트보다 얕은 깊이에서는 흐름이 없다는 것을 경험으로 알 수 있고, 약 170 피트의 깊이에서 분당 10리터를 초과하는 값으로 흐름률이 거의 선형으로 증가하는 것을 나타내고 있다.

본 발명의 알고리즘의 특정 행동 특성은 표 1에서 알 수 있듯이 약 250 피트

[표 2]

또한, 표 2를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 산소 소비의 범위가 최소 분당 1.0리터로부터 최대 분당 2.0리터까지로 보다 제한되는 경우, O₂및 희석제 탱크 양쪽으로부터의 흐름률은 대체로 감소되며, 특히 공기 또는 희석제 탱크에 대해서 그렇다. 실제로, 산소 소비에 대해 보다 제한된 범위에서 본 발명의 P_O2최대 요구는 330 피트까지의 깊이 및 330 피트를 초과하는 깊이 모두에서 만족된다는 점이 표 2로부터 이해될 수 있다. 따라서, 특정 잠수부는 상기 산소 소비율을 감시 및 기록하고, 본 발명의 관리 방정식에서 O₂소비 항에 대한 상한 및 하한으로 상기 국부적인 최소값 및 최대값으로 사용한다. 보다 제한적인 산소 소비 한계 내에서 작업 가능한 특정 잠수부에 대해서는, 산소 및 희석제 탱크로부터의 흐름률이 상당히 감소되기 때문에 특정 탱크에 대한 잠수 시간이 매우 증가된다. 이로 인한 성능 증가가 도 6에 도시된다.

이전의 분석이 준-정상 상태(일정 깊이) 체제(quasi-steady state regime)에 관해서 실행되더라도, 본 발명의 알고리즘은 상승 및 하강 중과 같은, 과도 동작(transient behavior)을 평가하기에 보다 더 적합하다. 공기 또는 희석제 탱크로부터의 초기 흐름은 얕은 깊이(약 20 피트 이하의 깊이)에서 공칭 0이기 때문에 흐름 루프(카운터렁(counterlung))의 초기 산소 함량은 산소 부유 탱크(oxygen rich tank)의 산소 함량, 즉 F_T=1.0인 경우 1.0과 동일하다. 하강 중에 과도 효과로 인해 최대 허용 가능한 P_O2가 초과되는 소정의 임계 깊이에 도달한다. 본 발명에 따른 한가지 특정 해결책은 잠수부가 하강함에 따라 주위 압력이 증가하기 때문에 카운터렁의 기능이 붕괴되는 경향을 방지하도록 희석제 또는 공기 탱크로부터 희석 가스를 추가해주는 것이다. 카운터렁으로의 가스 추가는 카운터렁 내부에 하강율에 직접 비례하는 방식으로 희석제 또는 공기 흐름 밸브를 제어하여 희석제 또는 공기 탱크로부터 가스를 도입하는 요구 조절기(demand regulator)를 제공함으로써 기계적으로 달성된다. 카운터렁 물질은 종래 기술에서 잘 알려진 종래의 두 번째 스테이지 SCUBA형 요구 조절기 내의 호흡 다이어그램(breathing diagram)과 동일한 기능을 제공하기 때문에, 레버 동작형 다운스트림 요구 조절기(lever-operated down stream demand regulator)가 본 발명에 특히 바람직하다. 카운터렁의 붕괴 물질은 공기 또는 희석제 탱크에 접속된 점감 압력 조절기(step-down pressure regulator)에 연결된 저압 공기 호스로부터의 포팻(poppet)의 위치를 차례로 바꾸는 레버를 동작시킨다. 포팻의 위치가 흐름 경로로부터 바뀜에 따라, 공기 또는 희석 가스가 대응하여 팽창하는 카운터렁 내로 도입되므로, 레버 상의 압력이 감소되어 포팻이 폐쇄된다. 카운터렁을 일정 체적으로 유지할 정도로 충분한 가스가 추가되는 경우, 추가 가스 및 그 가스 내의 산소 함량이 평가되어야 한다. 적분되어야 하는 방정식은 다음과 같다.

[식 14]

V_FL(dP_O2/dt)=(F_O2V_O2+F_AIRV_AIR-O₂)-(P_O2/P_AMB)(V_O2+V_AIR-O₂-V_FL(DR/33))

여기에서, 결과적인 흐름 비율이 깊이에 대해 단순한 함수가 아니기 때문에, 방정식 14에 대한 수치적인 해석이 요구된다.

이러한 수치적인 해석으로 인해 준-정상 상태(일정 깊이) 해답에 대해 한정된 250 피트보다 더 얕은, P_O2 ^MAX요구가 초과되는 깊이를 넘는 임계 깊이가 산출된다. 산소 소비의 두가지 값에 대해 하강율의 함수로서 임계 깊이의 분석 결과가 도 7에 주어진다. 예상된 바와 같이, P_O2 ^MAX가 1.6을 초과하는 임계 깊이는 하강율이 증가함에 따라 감소한다. 그러나, 도 7에서 분당 180 피트 이상의 최대 하강율(실질적으로는 얻기 어려움)에서도 160 피트 이상의 임계 깊이가 유지된다. 이와 같이 산출된 하강율 및 임계 깊이에 대한 산소 소비율은 0.5 SLM의 최소 비율이라는 점에 유의하여야 한다.

본 발명에 따르면, 최대 하강율은 깊이의 함수로써 산출될 수 있고, 잠수하기 전에 그 프로필(profile)이 잠수부에게 표시될 수 있다. 160 피트보다 깊이 잠수하기를 원하는 기술적인 잠수부는 적합한 하강 프로필을 간단히 구성하고, 자신이 요구하는 프로필 내에서 하강율이 유지되도록 감시 및 제어하여야 한다.

본 발명의 특징을 실시하기에 적합한 반폐쇄회로형 수중호흡 시스템의 특정 실시예는 반폐쇠회로식 수중호흡기의 기계 시스템 전체를 블록도 수준으로 일반화한 반 개략도인 도 4에 도시된다. 종래 기술의 반폐쇄회로형 수중호흡 시스템과 여러 관점에서 유사하지만, 도 4의 수중호흡 시스템은 산소 분압을 특정 범위 내에서 유지하기 위해, 깊이에만 종속되는 적응 형태로 조정가능한 비율로 잠수부에게 호흡 가스를 제공하도록 특히 구성된다.

도 4에 설계된 전체 기계 시스템이 도시되고, 바람직하게 일반적으로 100으로 표시된 흐름 루프를 포함하며, 또한 잠수부가 적절한 마우스피스(mouthpiece)를 통해 호흡 가스 혼합물을 호흡하는 플렉시블(flexible)하고 용적이 한정된 카운터렁(102)을 포함한다. 카운터렁(102)은 흐름 루프의 가스 흐름 경로를 한정하는 적절한 저압 호스(104)에 의해 흐름 루프(100) 내에 접속된다. 저압 호스(104)를 통한 가스 흐름 방향은 저압 호스(104)를 따라 배치되고 카운터렁(102)과의 호흡 가스 유입 및 유출의 흐름을 한정하도록 위치되는 제1 및 제2 단방향 체크 밸브(105, 106)에 의해 제어된다. 나머지 잔류 산소 함유 가스가 가스 흐름, 결국 카운터렁(102)으로 재도입되기 전에 호기된 가스로부터 제거되어야 하는 이산화 탄소가 잠수부가 호기하는 호흡에 다량 함유되어 있기 때문에 정확한 호흡 가스 흐름 방향을 유지하는 것이 중요하다. 이산화 탄소(CO₂)는 카운터렁(102)으로부터 하향 스트림(down-stream)으로 정의되는 방향으로의 가스 흐름 내에 배치되는 CO₂세정기 여과통(scrubber canister; 108)에 의해 호기된 가스 체적으로부터 제거된다. 단방향 체크 밸브(105, 106)의 동작으로 인해 호기된 가스 체적이 호기된 가스를 함유하는 CO₂와 가스원으로부터 호흡 가스의 인입 체적(incoming volume) 사이에 교차 흐름(cross flow)을 허용하기보다는 오히려 CO₂세정기 여과통(108)에 접속된 적절한 저압 호스를 통해 카운터렁에 남는다는 것을 보장한다.

CO₂세정기 여과통(108)의 구조 및 동작은 당업자에 의해 잘 이해되며, 공통으로 사용되는 다수의 CO₂제거 시스템 중 임의의 한가지 시스템을 포함할 수 있다. CO₂세정기 여과통(108)은 CO₂를 약 3내지 5시간 세정할 수 있는 소다 석회(soda lime) 카트리지를 포함하는 것이 바람직하다. 호흡 가스는 압축된 호흡 가스를 받아서 유지할 수 있는 제1 및 제2 실린더(110, 112)를 각각 포함하는 호흡 가스원에 의해 흐름 루프(100)에 공급된다. 제1 실린더(110)는 산소 또는 산소 부유 가스, 바람직하게는 순수한 형태의 산소(O₂)를 포함하는 반면, 제2 탱크(112)는 공기와 같은, 이하 상세하게 기술되는 바와 같이 제1 탱크(110)로부터 산소와 혼합됨으로써 수중호흡 시스템의 흐름 루프로 제공되는 산소의 분압을 변화시킬 수 있는, 다량의 압축된 희석 가스로 채워진다. 희석제 탱크(112)에는, 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 바와 같이 가스 상태의 혼합물 내에서 산소가 차지하는 특정 비율(0.21)을 포함하는 다량의 압축 공기가 함유된다. 대안적으로, 희석제 탱크(112) 내에 함유되는 희석 가스는 깊이 잠수하는 작업에 적합하도록 종래 결정되는 불활성 가스 중 임의의 한가지, 또는 산소가 차지하는 비율이 특정 비율이 되는 불활성 가스의 종래 혼합물일 수 있다.

산소 및 희석제 탱크(110, 112)는 각각 개별 고압 조절기(114, 116)를 통해 흐름 루프(100)에 접속된다. 고압 조절기(114, 116)는 수중호흡 흐름 루프(100)를 포함하는 저압 호스(104)에 적합하도록 산소 및 희석제 탱크로부터의 가스 흐름을 더 낮은 동작 압력이 되도록 조정하여 감소시킨다. 본 발명의 수중호흡 시스템과 관련하여 여러 종류의 압력 조절기 설계가 적합하고, 실제로 이동 오리피스형 압력 조절기(moving orifice-type pressure regulator), 피스톤을 통한 균형 흐름식(balanced flow-through piston-type), 또는 이와 유사한 것들로 구현될 수 있다. 압력 조절기(114, 116)의 통상적인 구현으로 인해 이들 각각의 저장 탱크(110, 112) 내의 압축 산소 또는 압축 희석 가스의 가스 압력이 그들의 공칭 압축 값으로부터 약 10 기압(10 atm)의 저압으로 감소된다. 현재의 탱크 압력으로부터 약 10 기압까지 가스 압력을 감소시키는 것으로 기술되었지만, 압력 조절기(114, 116)가 10 atm과는 전혀 상이한 압력이며 저압인 가스를 공급하도록 설정될 수 있다는 점은 당업자에 의해 이해될 것이다.

산소 또는 희석 가스 중 하나가 저압으로 조정된 가스는 가스원 탱크로부터 개별 매스 흐름 제어 밸브(120, 122)로 산소 또는 희석 가스를 도입하도록 각각 접속되는 저압 호스(118, 119)에 의해 흐름 루프(100)에 연결된다. 산소는 매스 흐름 제어 밸브(120)를 통해 흐름 루프(100) 내로 도입되는 반면, 희석 가스는 매스 흐름 제어 밸브(122)를 통해 흐름 루프 내로 도입된다. 수중호흡기의 정상 동작 중에, 매스 흐름 제어 밸브(120, 122)는 호흡 가스의 분압을 특정 범위 내로 유지하도록 시스템에 도입되는 산소 및 희석 가스의 양을 각각 결정한다.

매스 흐름 제어 밸브(120, 122)의 구조에 대해 설명하기 전에, 도 5에 도시된 깊이의 함수로써의 흐름률의 그래프로 잠시 되돌아갈 필요가 있다. 도 5에 도시된 흐름률 값의 검토, 및 표 1에 포함된 데이터의 분석을 통해, 선택된 산소 소비의 양단에서는 산소 및 희석 가스의 흐름률이 깊이에 대해 거의 선형이라는 것이 알 수 있다. 실제로, 표 1의 데이터를 분석하면 희석제 또는 공기의 흐름률이 푸트 당 대략 0.07 SLM의 비율로 깊이에 따라 증가된다는 것을 알 수 있다. 표 2에 대해서도 유사한 산출이 실행될 수 있으며, 깊이인 푸트당 흐름률 변화의 비율에 대해 얻어지는 수치만이 변화될 뿐 유사한 결과가 얻어진다.

따라서, 깊이에 선형 종속성을 보이는 산소 및 희석 가스(또는 공기)의 흐름률에 따르면, 본 발명의 일 실시예에서 매스 흐름 제어 밸브(120, 122)는 단순하고 기계적인 흐름 제어 밸브, 바람직하게는 깊이에 종속되는 중간 압력을 생성하고, 소닉 오리피스(sonic orifice)에 접속되며, 본 발명에 따라 유도된 변화율에 따라 깊이에만 종속되는 흐름률을 생성하는 제1단 조절기로 구현된다는 점이 이해되어야 한다. 이러한 기계적인 구성은 당업자에 의해 잘 고려되고, 실제로 종래 기술의 폐쇄 또는 반폐쇄식 수중호흡 시스템에서 구현된 다수의 종래 제1단 조절기 중 임의의 하나에 적절한 변경이 가해져 용이하게 구현될 수 있다. 본 발명의 기계적인 실시예는 단순하다는 장점이 있지만, 방정식 7에서 주어진 하강율 항을 고려할 수 없다. 이로 인해 또한 하강 중에 산소의 분압이 특정 최대값을 초과할 가능성이 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 산소 부유 가스원과 카운터렁 사이에 견고한 체적을 추가(Morrison의 미합중국 특허 제4,454,878호에 개시된 특정 실시예)하거나 하강율이 특정값을 초과하는 경우 산소 부유 가스의 흐름을 정지시키거나 감소시키는 것 중 하나를 행하는 압력 변환기(transducer)에 접속된 전자 제어형 솔레노이드 밸브( electronically controlled solenoid valve)를 추가하는 등, 여러 가지 해결책이 있다. 산소센서를 포함하는 실시예에서, 전자 제어형 밸브는 산소의 분압이 특정 최대값을 초과하기 전에 산소 부유 가스 흐름을 정지시키도록 기능한다.

본 발명에 따른 반폐쇄회로형 수중호흡 시스템의 다른 실시예에서, 매스 흐름 제어 밸브(120, 122)는 적절한 신호 처리 회로로부터 수신되는 제어 신호에 응답하여 동작함으로써 산소 및 희석 가스용 탱크(110, 112) 각각으로부터 가스 흐름을 자동 제어하는 전자 제어형 매스 흐름 밸브를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 신호 처리 회로(12)는 여러 가지 사용자 정의 파라미터(산소 소비, 산소 및 희석 가스 실린터 내의 산소 함량 등)를 가지고 사용자에 의해 프로그램될 수 있고, 또한 깊이의 함수로서 산소 및 희석 가스 실린더로부터의 흐름률을 정의하도록 방정식 7에서 정의된 계산을 실행할 수 있는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 디지털 신호 처리 회로로 구현된다.

이러한 관점에서, 신호 처리 회로(124)는 종래 방식으로 주위 압력 측정을 표면 아래의 깊이로 변환하는 압력 변환기(126)로부터 출력되는 신호를 수신하는 센서 입력 포트를 포함한다. 신호 처리 회로(124) 및 압력 변환기(126)는 둘다 상업적으로 입수 가능한 종래의 구성요소로 구현되며, 여기에서 신호 처리 회로(124)는 입력 및 출력 버스를 구비하고 산술 계산 능력을 가지는 임의의 펌웨어(firmware) 프로그램이 가능한 마이크로컨트롤러를 사용할 수 있다. 여러 가지의 이러한 회로들이 모토롤라(Motorola), 인텔(Intel Corporation), 및 AMD(Advanced Micro Devices)에 의해 제조되며, 이들은 모두 본 발명에서 사용될 수 있다. 깊이 변환기(126)는 상업적으로 입수 가능한 종래의 장치로부터 마찬가지로 구현되고, 실제로 모든 레크리에이션 잠수 장치 제조회사에 의해 잠수 컴퓨터의 일부로써 여러 가지 형태로 제공된다.

동작에 따르면, 압력 변환기(126)는 잠수부의 깊이를 감지한 후 적절한 제어 신호를 신호 처리 회로(124)로 제공한다. 이 신호에 응답하여, 신호 처리 회로(124)는 압력 변환기(126)에 의해 결정된 깊이 값, 사용자에 의해 미리 입력된 시스템에 대한 최소 및 최대 산소 분압 값, 최소 산소 소비 값 및 산소가 차지하는 비율 값을 사용하여, 방정식 7에 따라 산소 및 희석 가스용 탱크 흐름률을 산출한다.

본 발명에 따르면, 신호 처리 회로(124)는 제어 신호를 매스 흐름 제어 밸브(120, 122)로 출력하면, 이들 매스 흐름 제어 밸브(120, 122)는 상기 제어 신호에 응답하여 각각 산소 및 희석 가스 흐름률을 조절한다.

기계 및 전자 제어형 매스 흐름 밸브를 모두 포함하는 바람직한 실시예에서, 전자 제어형 밸브는 고장 개방형(failopen)으로 설계 및 구성된다. 이러한 조건은 시스템이 고장나서 잠수부가 비상 상승(emergency ascent)하여 표면으로 가는 중에 저산소증을 예방하기 위해 충분한 양의 산소가 잠수부에게 항상 공급되는 것을 보장한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 희석 가스원(112)에 접속된 고압 조절기(116)는 종래의 두 번째 스테이지 SCUBA형 조절기(127)가 부착될 수 있는 추가 저압 포트를 포함할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 희석 가스원(112)이 압축 공기 실린더로 구성되는 경우, 이 압축 공기 실린더는 두 번째 스테이지 조절기와 결합하여 어떤 비상 상태 하에서 비상 구제용 용기(bail-out bottle)로 기능한다. 제한적으로, 희석제 실린더(112), 고압 조절기(116) 및 선택적인 두 번째 스테이지 조절기(127)는 도 1에 도시된 바와 같은 단순한 SCUBA형 장치를 포함한다.

또한, 희석 가스원으로 공기를 사용하는 경우에는 잠수 깊이가 150 피트에 도달하여 초과함에 따라 소정의 단점이 발생된다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다. 특히, 공기의 주요 구성요소는 질소이고, 이러한 사실은 잠수부에 따라 어떤 적절한 심리적인 효과로 인식될 것이다. 잠함병은 잠수 깊이가 150 피트를 초과하는 경우에 잠수부에게 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 행복감으로 유도된 상태에 기인하여 치사 등과 같은 심각한 결과가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 잠수 깊이가 약 150 피트 이상의 깊이에서 공기 또는 어떤 다른 산소/질소 혼합물 대신에 흐름 루프 내로 바꿔서 도입되는, 예를 들면 헬리옥스(heliox) 혼합물(20% 산소 및 79% 헬륨)로 채워진 제2 희석 가스원을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 수중호흡 시스템은 종래와 같은 가스원을 제공하고 상기 알고리즘에 따라 필요한 계산을 실행하는 것만으로, 혼합 가스를 사용하는 잠수에서 사용될 수 있다.

상기한 반폐쇄 회로의 실시예에 있어서, 본 발명의 주요 특징은 산소의 역학과, 적응 조정 및 단일 깊이의 함수와 같은 희석 흐름률(diluent flow rate)이다. 본 발명에 따라 제공된 정밀 산소 센서는 수중호흡 시스템의 수행을 상당히 개선한다. 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 표 1 및 표 2에 열거한 값에 따라 산소 소모의 범위가 최소 및 최대의 더 한정적 세트로 경계지어지게 되는 경우에, 산소로부터의 흐름률과 희석 탱크는 희석 탱크에 대해서 특히 능동적으로 줄어들게 된다. 실제로, 종래 폐쇄 회로 수중호흡 장치들은 카운터렁(counterlung) 내의 산소의 평형 압력을 감시하며, 소정 P_O2값, 즉 1.6 대기압을 유지하는 데 필요한 비율로 시스템에 대해서 단독으로 추가적 산소를 제공한다. 종래의 공기 또는 희석 탱크는 수압의 증가로 카운터렁이 비워질 때의 강하 중에 가스의 추가가 제공된다. 종래의 폐쇄 회로 수중호흡 장치는 잠수부에 의해 소모되는 산소의 비율과 같은 비율로 시스템에 산소를 추가하도록 설계되어 있다. 그러나, 종래의 시스템은 산소 소모율의 직접 측정을 얻어내는 방법에 없으며, 기본적으로 카운터렁 내에서 P_O2를 감시하기 위하여 산소 센서를 이용한다. 가스 흐름 제어는 전형적으로 CNS 유독성 한계에 의해 허용된 최대치인 일정한 소정 값으로 P_O2를 유지시키도록 조정된다.

본 발명의 원리에 따라, 폐쇄 회로 수중호흡 장치는 감압 고려 및 폐 독성 한계와 같은 실질적 재현 요소에 기초한 P_O2값의 계산을 가능하게 하는 정밀하고 신뢰성 있는 산소 센서와의 결합에 이용하는 경우, 그 값은 최대 구동 시간 및 최소 감압 시간이 주어지도록 계산될 수 있다.

다른 고려가 없는 경우에, P_O2가 CNS 유독성 한계로 제어되는 동안에 구동 시간은 호흡하는 가스 탱크, 즉 호흡하는 가스의 양의 용량에 의해 궁극적으로 제어된다. 폐쇄 회로 수중호흡의 산소 평형 압력에서 수행 종속성의 설명은 도 8에서 설명한다. 도 8은 P_O2의 여러 가지 값에 대한 여러 가지 깊이로 제도된 무감압(No D) 시간을 가진 P_O2의 함수로서 제도된 분당 구동 시간의 그래픽적 표현이다. 도 8에서 보여진 바와 같이, 60 피트의 최저 깊이와 1.6의 P_O2동안에 탱크의 용량에 의해 부과된 시간 제한에 의해 크게 초과한 감압 시간 한계는 없으며, 탱크 용량이 고갈되는 경우에 잠수가 종료되게 된다. 도 8에서는 이러한 특별한 잠수 동안의 P_O2가 구동 시간에 충격을 주지 않는, 즉 잠수 시간이 여전히 제한된 탱크 용량인 대략 1.0의 값으로 감소될 수 있다는 증거가 된다.

대략 80 피트의 중간 깊이 동안, 1.6의 P_O2에서 탱크 용량 한계에 대응하는 감압 시간 한계는 없다. 이 경우에 있어서, 80 피트에서 무감압 시간이 만료될 때(다중 레벨 잠수로 알려진 레크레이션 다이버들 중의 공통 훈련) 또는 80 피트에 머무르며 감압 체제로 들어갈 때 잠수부가 얕은 깊이로 올라오도록 한다. 이러한 특별한 예에서, P_O2=1.6의 선택이 최상이며 잠수부의 옵션이 낮게 됨을 줄인다. 그러나, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 80 피트를 초과하는 깊이, 즉 100 피트의 깊이에 대해서는 최대 무감압 시간(P_O2=1.6)은 추가적 No D 시간에 관해서 잠수부의 옵션을 제한하는 CNS 독성 한계를 가진 대략 40분이다. 따라서, 대략 100 피트의 깊이와 대략 40 분의 No D에 대해서는 고려할 수 있는 탱크 용량이 남아있음을 볼 수 있다. 이러한 특별한 경우에 있어서, 잠수부는 100 피트에서 남아있으며 감압 의무를 수용하거나 또는 D 체제 내에 남아있도록 얕은 깊이로 올라오는 선택을 갖는다. 잠수부가 감압 의무를 받아들이도록 선택하면, 잠수부는 감압 체제를 통과하도록 충분한 용량이 남아 있어야 할 의무를 가지고 남아 있는 탱크 용량이 사용되기까지는 100 피트에 머무를 수 있다. No D 다중화된 잠수에 대해서 P_O2는 남아 있는 탱크 용량과 No D 시간이 잠수 시간을 감소시키지 않고 동일하게 되지만, 폐 산소 중독 고려가 없는 경우에는 불필요한 것이다.

그러나, 폐 산소 중독과 연관된 제약의 추가는 감소된 P_O2의 값이 여러 가지 중요한 관점에서 수중호흡의 수행을 개선하는 상황을 가져온다.

도 9로 돌아가서, 국립 해양 및 대기국(NOAA)에 의해 규정된 바와 같은 폐 독성 한계는 도 8의 잠수 시간의 그래픽적 표현 및 P_O2로 첨자화 되어 있다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 폐 산소 중독 고려는 P_O2가 증가하는 만큼 허용 가능한 잠수 시간이 감소하는 효과를 갖는다. 따라서, 대략 60 피트보다 얕은 깊이에 대해서는 P_O2값의 다중 선택이 있다. 폐 독성 한계가 탱크 용량과 같은 곳에서는 P_O2의 한 값을 선택하며(도 9의 설명에서는 P_O2= 1.0 이다), 또한 무감압 시간이 탱크 용량과 같은 곳에서는 P_O2의 낮은 값을 선택한다. 이러한 상황에서 선택은 효과적 잠수 시간에 영향을 주지 않지만, 정확히 규정된 일상 폐 제약이 있으므로, P_O2의 작은 값이 바람직하게 된다. 어느 하나의 특정 잠수의 잠수 시간은 감소되지 않지만 차후의 반복 잠수에 의해 부과된 폐 독성 한계는 증가하게 된다.

따라서, 폐 독성 한계가 탱크 용량에 의해 조정된 만큼의 잠수 시간과 같거나 그 이상인 곳에서는 P_O2에 대한 최적 용해는 탱크 용량 시간과 무감압 시간이 같은 것으로 보여질 수 있다.

60 피트 이상의 깊이, 즉 탱크 용량 이하의 값으로 잠수 시간을 제한하는 폐 독성 한계에서의 깊이에 대해서 자유 추가 정도는 종래 수중호흡 장치에 의해 부과된 정도를 넘어 이용 가능한 것이다. 도 6의 예에 따라, 폐 독성 한계가 없는 경우와 같은 대략 100 피트의 깊이에 대하여, 잠수부는 그 No D 한계의 깊이에 머무르며 감압 의무를 수용하는 선택을 갖거나, 또는 얕은 깊이로 올라와서 No D 한계 내에 머무를 수 있다. 잠수부가 두 번째 옵션, 즉 다중 레벨 잠수를 선택하면, 용량 및 무감압 시간 모드는 다소 줄어들게 된다. 그러나, P_O2에 대한 최적 해결은 무감압 시간이 탱크 용량 시간과 같을 때 또는 폐 독성 한계 시간이 탱크 용량 시간과 같을 때가 될 것이며, 이들 값의 최소치를 선택함으로써 어느 하나의 사태를 예상할 수 있다.

잠수부가 감압 의무를 수용하도록 선택하면, 잠수부는 100 피트에 남아 있을 수 있지만, 중요한 것은 폐 독성 한계에 도달하게 되면 P_O2의 값은 폐 독성 시간 한계가 비제한되도록 대략 0.5 atm 으로 감소되어야 한다는 것이다. 그러나, P_O2_ 0.5는 불필요하게 긴 감압을 가져올 수 있다. 감압 시간을 최소화하는 중에 하부를 최대화하기 위하여, 감압을 위해 요구된 용량으로 감소될 때의 깊이로 탱크 용량 시간이 감압 중에 최대 P_O2에 요구된 폐 독성 시간에 의해 감소되어진 깊이로 폐 독성 시간과 같게 되도록 P_O2의 값이 선택된다.

상기한 규칙은 절차를 설명하는 도 10의 예시적 간단한 흐름도를 참조로 요약될 수 있다. 특히, 도 10의 흐름도에 따라, 감압 의무에 의해 부과된 특정 시간 제한을 포함하는 잠수 시간이 제한된 탱크 용량을 계산함으로써 그 절차를 개시한다. 두 번째 계산이 수행되어 원하는 잠수 깊이에 이용 가능한 무감압 시간에 의해 한정된 잠수 시간을 결정한다. 추가적 계산이 수행되어, 잠수를 운영하기 위해 이용된 최소값으로 산소 중독 한계가 허용할 수 있는 매일 잠수 및 한번 잠수 모두에 의해 한정된 잠수 시간을 결정한다. 주의할 것은 임의의 감압 의무 동안 부과된 산소 중독 한계를 고려해야 한다는 것이다.

예를 들어 무감압 한계와 같은 탱크 용량 한계에 대한 도 8 및 도 9의 그래프로부터 P_O2의 값이 결정된다. 또한, 상기한 바와 같이 폐 독성 제한된 잠수 시간과 같은 용량 제한된 잠수 시간에 대하여 P_O2의 값이 결정된다. 상기 결정된 P_O2의 값에 대해, 이들 값의 최소치는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 폐회로 수중호흡 장치에 대한 P_O2설정 점으로서 선택되었다. P_O2의 값은 0.5 이상이며 최대 허용 가능한 즉 1.6 atm 이하가 되는 추가적 제약을 갖는 상기 결정된 어느 하나의 값의 최소치와 같이 설정한다.

중요한 것은 산소 중독 한계를 허용할 수 있는 한번 및 매일 잠수가 잠수의 파라메터를 지배하는데 이용하는 최대 값으로 감시된다는 것이다.

P_O2의 특정 값을 계산하는 이러한 방법은 특정 예의 정황에서 고려될 때 보다 쉽게 이해될 수 있다. 실제로, 산소 중독 잠수 시간은 다음의 표 3에서 산소의 일부 압력의 함수로서 설정된다.

[표 3]

Po2	한번 잠수	매일 잠수
0.5	제한 없음	제한 없음
0.6	720 분	720 분
0.7	570	570
0.8	450	450
0.9	360	360
1.0	300	300
1.1	240	270
1.2	210	240
1.3	180	210
1.4	150	180
1.5	120	180
1.6	45	150

특정 P_O2에서 허용 가능한 잠수 시간은 여기서 산소 중독 단위(Oxygen Toxicity Units; OTU)라고 부르는 것의 누적율로 변환된다. 이러한 예를 위하여, 허용 가능한 비-차원(non-dimensional) 산소 중독 단위 수로서 300이 독단적으로 선택된다. 따라서, 한번 및 매일 산소 중독 한계 계산 목적 모두를 위하여, 허용 가능한 시간에 의해 300으로 간단히 분할함으로써 산소 중독 단위 누적율 또는 OTUR이 확립될 수 있다. 따라서, 허용 가능한 시간에 의해 300으로 간단히 분할함으로써 1.0의 산소 일부 압력에서 OTUR 이 확립될 수 있다. 따라서, 1.0의 산소 일부 압력에서 OTUR은 분당 1 단위이다. 본 발명에 따라, 각각의 P_O2의 값은 OTUR = OTUR(P_O2)와 같은 상응하는 OTU 누적율과 연관된다. 잠수를 진행함에 따라 허용 가능한 OTU는 감소되게 되며, 잠수가 감압 체제로 들어가면 최소 감압 시간에 요구된 필수적 OTU가 따로 설정됨에 따라 OTU 누적율이 증가하게 된다. 잠수의 폐 시간 한계(T_OTU)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[식 15]

T_OTU=(OTU_REMAINING-OTU_DEC)/OTUR(P_O2)

여기서, OTU_REMAINING은 잠수부가 이용 가능하기까지의 산소 중독 단위를 나타내고, OTU_DEC는 특정 감압 체제 동안 따로 설정하는 산소 중독 단위를 나가능하기까지의TUR(P_O2) 는 P_O2의 특정 선택에서의 산소 중독 단위 누적율을 나타낸다.

강압 중에 가스 소모를 또한 허용해야 하는 제한된 용량 TCAP 는 관련 부분으로 표현될 수 있다.

[식 16]

T_CAP=V_CAP/O₂

여기서, T_CAP는 탱크 압력으로 나타낸 바와 같은 산소 탱크의 남아 있는 체적 용량이고, O₂는 폐회로 시스템이 산소 소모의 비율과 같은 체적 흐름률이다. 폐 시간 한계(T_OTU)가 용량 제한된 시간(T_CAP)과 같을 때, 특정한 잠수를 위한 한 가능치가 얻어지거나, 또는 여기서 P_O2에 대한 단일 해가 존재하게 된다.

[식 17]

OTUR(P_O2)=(OTU_REMAINING-OTU_DEC)/(V_CAP/O₂)

P_O2의 선택을 위한 두번째 후보는 무감압 시간과 용량 제한된 시간을 등가로 함으로써 달성된다. 다수의 상이한 이론을 이용함으로써 NO D 시간이 계산될 수 있으며, 그 최상 공통 시간은 John Scott Haldane(1908)의 연구에 기초하게 된다. 이 이론은 각각 상이한 시간 규모를 갖고 표면화 질소 인장력(nitrogen tension)를 허용할 수 있는 다수의 조직(전형적으로 5와 12 사이)의 고려를 통한 인간의 신체를 모델로 한다. 이 이론은 다음의 미분 방정식으로 표현될 수 있다.

[식 18]

dN₁/dt=(D-N₁)/t₁

여기서, D 는 깊이, N₁은 해수 피트의 단위에서 질소 인장력의 측정치이며, t₁은 분의 단위에서 "중간 시간(halftime)", 첨자()₁은 모델의 조직중 특정 하나를 나타낸다. t₁의 전형적인 값은 5 내지 480 분 사이의 범위이다.

여러 가지 산소 함량을 가진 가스에 대해서, 계산에 이용되어야 하는 등가 깊이는 공통적으로 등가 공기 깊이(Equivalent Air Depth)로 언급되고, 깊이 및 P_O2양쪽 모두의 함수이고,

[식 19]

EAD=33[(P_AMB-P_O2)/.79-1]

여기서 EAD 는 해수 피트 단위를 가지며, P_AMB및 P_O2는 대기압의 단위를 갖는다. 예를 들어 D=99 피트이고, 가스가 공기이면, P_AMB=4, P_O2=0.84이며, EAD=D=99 피트이다. 그러나, 가스가 충분한 산소이면, 예를 들어 P_O2=1.4, EAD=76이며, 증가된 No D 시간이 나타날 수 있다. No D 시간을 여분으로 하기 위한 공식은,

[식 20]

No D=Minimum{t₁Ln[(EAD-N₁)/(EAD-NC₁)]}

여기서, Ln 은 자연 로그, 즉 Ln(2)=0.693 이다.

따라서, 잠수 중 일정 시간에서 No D 시간은 N 의 현재 값을 반영함에 따른 이전 잠수 프로필, PAMB 의 현재 값을 반영함에 따른 깊이, 및 P_O2의 함수이다.

이 시간을 용량 제한된 시간과 등가시킴으로써, P_O2최적 값의 두번째 선택을 해결할 수 있다.

[식 21]

NoD(P_O2)=T_CAP

최적 P_O2는 수학식 16 및 수학식 21을 풀어서 나타난 두가지 선택 중 최소의 것이다.

특정 N>NC 인 경우 감압이 요구되며, 나타낸 표현 중 최소의 것으로 간단히 대치함으로써 감압 시간을 계산하기 위하여 수학식 20이 이용된다.

실제로, 해답이 0.5 이하로 나타나면, 낮은 P_O2의 값이 추가적 산소 중독 단위 없이 제공되고, P_O2의 값은 0.5와 동일하게 설정되며, 모든 다른 요소는 동일하게 되므로, 높은 P_O2의 값이 바람직하다. 한편, 선택이 모두 1.6을 초과하면 CNS 산소 중독을 회피하기 위하여 1.6이 선택된다. 물론, 이들 P_O2값은 산소 센서, 주위 압력(깊이) 게이지, 탱크 용량 표시기(압력 게이지), 펌웨어 프로그램 가능 No D, 및 앞서 설명한 바와 같은 P_O2의 상위 및 하위 한계로 경계지어진 산소 중독 누적 스케줄로 제공된 데이터 상에서 동작하는 적절한 신호 처리 회로에 의한 인시튜(in situ)로 계산된다. 인시튜 계산은 전형적인 잠수의 동적 성질에 관한 산소 부분 압력의 실시간 적응성을 제공한다. 특히, 일정하게 변화하는 깊이의 영향은 본 발명에 따라 잠수부에게 연속적으로 재계산되고 동적으로 제공되는 적절한 P_O2값으로 계산될 수 있다. 따라서, 잠수 중에 특정 점에서 산소 중독 단위의 특정한 요구 감압 및 누적을 계산하는 동안 하위 시간을 최대화하기 위하여, 잠수부에게 전달되는 P_O2의 값이 최적화된다.

요약하면, 본 발명의 정확한 실시예, 즉 반폐쇄 회로 수중호흡 장치는 산소 센서를 요구하지 않으며, 이러한 산소 센서를 포함하는 본 발명의 실시예에 의하여 확실한 실행 이득이 얻어질 수 있다. 호흡 혼합물 중 감소된 질소 함유를 계산함으로써 개선점이 얻어지며 이러한 장점적 효과는 호흡 잠수의 무감압 시간을 갖는다. 추가적으로, 특정 잠수부에 대해서 산소 소모의 더 제한적 범위를 확립하기 위해 산소 센서가 사용될 수 있으며, 그 결과 실질적으로 감소된 흐름률과 긴 잠수 시간을 가져오게 되므로 더욱 효과적인 것이다.

더욱이, 본 발명의 폐회로 실시예는 산소 부분 압력의 계산된 이산치로 환산하여 작용한다. 그러나, 택일적 디자인이 반폐쇄 회로 실시예에 대해서 개발된 동일한 법칙을 사용할 수 있지만, 폐쇄 회로 알고리즘에 따라 계산된 값을 중심으로 크게 감소된 산소 부분 압력에 대한 한계와, 산소 센서에 의해 계산된 값을 중심으로 실질적으로 줄어든 산소 소모량에 대한 한계를 갖는다. 반폐쇄 회로 수중호흡 장치는 용량 감소가 나타나는 동안 P_O2가 증가함에 따라 용량이 감소되므로, P_O2의 잠수 시간의 더 민감한 종속성을 유도하며, 그 규칙은 반폐쇄 회로 장치에 적용 가능한 폐쇄 회로 수중호흡 여분을 위하여 P_O2의 결정을 개발한 것이다.

상기한 본 발명의 원리에 따라 동작 가능한 반폐쇄 회로 수중호흡 장치의 특정 실시예는 도 11에 도시하였다. 도 11의 폐회로 수중호흡 시스템의 구성 요소는 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 반폐쇄 회로 수중호흡 장치의 구성 요소와 실질적으로 동일하지만, 공급 탱크에 결합된 탱크 압력 표시계(129)와 카운터렁(102) 내에 제공된 산소 센서(128)가 추가되었다. 산소 센서(128) 및 압력 표시계(129)는 신호 처리 회로(124)와 전기적으로 결합되어 있으며, 신호 처리 회로가 카운터렁 내에 가스를 포함하는 산소의 부분 압력에 관한 정보를 제공하며, 도면이 취하는 도면이 탱크의 남아있는 용량에 상응하는 것이다. 또한, 적당한 산소 부분 압력을 개발 및 유지하고 카운터렁을 통해서 최적 부분 압력을 포함하는 호흡 가스를 잠수부에게 전달하기 위하여, 신호 처리 회로(124)가 본 발명의 알고리즘에 따른 계산을 수행할 수 있는 한 형태가 됨은 자명한 것이다.

신호 처리 회로(124)와 압력 변환기(126)와 같은 유사한 산소 센서(128)가 특정 다수의 종래 공통적으로 이용 가능한 산소 센서로 수행되며, 당업자라면 숙지하고 있는 것으로 이해할 수 있는 것이다. 여러 가지 산소 센서 디자인은 그 분야를 통해서 공지되어 있으며, 종래 폐회로 수중호흡 장치의 기능을 위한 필수 구성 요소인 것이다.

개시한 신뢰성 있는 폐회로 및 반폐회로 수중호흡 장치는 적응 제어 산소에 대한 알고리즘에 따라 동작하며, 유해한 물리적 영향을 계산하는 동안 잠수부의 하위 시간을 최대화하기 위하여 깊이 함수로서 가스 흐름을 평가한다. 주위 압력으로 규정한 깊이를 분할하는 상기 실시예는 흐름률 계산 상의 경계 조건을 설정하는 산소 소모량의 상대적으로 넓은 극단을 가지고 가스 흐름의 주요 결정 요소를 평가하는데 사용된다. 당업자가 숙지하고 있는 바와 같이, 임의로 결정된 경계 조건은 특정한 잠수부의 산소 소모 프로필을 감시 및 기록함으로써 상당히 축소될 수 있는데, 예를 들어 흐름률 계산을 더 정밀화하고 하위 시간을 더 증가시키도록 그 결과적 극단이 본 발명의 알고리즘으로 치환될 수 있다.

상기 본 발명의 실시예는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의하여 여러 가지 바람직한 다른 실시예로 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 특정 실시예, 배열 또는 제시한 단계들로 한정되지 않고, 첨부한 청구 범위로 정의된 바와 같이 본 발명의 요지 내에서 적용 또는 수정이 가능한 것이다

본 발명을 사용함으로써 잠수 시간이 증가되고 감압 시간이 감소되는 효율적은 수중호흡기를 생산할 수 있다.

Claims

산소 부유 가스원 및 희석 가스원으로 이루어지고, 카운터렁(counterlung)을 포함하는 흐름 루프에 호흡용 혼합 가스를 제공하는 반폐쇄회로식 수중호흡장치에 있어서,

a) 제1산소 비율(F_O2)을 갖는 산소 부유 제1가스원을 제공하는 단계;

b) 제2산소 비율(F_AIR)을 갖는 제2 희석 가스원을 제공하는 단계;

c) 상기 산소 부유 제1가스원 및 상기 제2 희석 가스원에 각각 결합되어 각 가스원에서 카운터렁 흐름 루프로의 가스 흐름을 개별적으로 제어하는 제1 및 제2 흐름 제어 수단을 제공하는 단계; 및

d) 잠수 깊이의 함수로 표현되는 대기 압력에 단독으로 종속하는 방법으로 산소 부유 가스원 및 희석 가스원의 가스 흐름률을 조정하기 위해 상기 제1 및 제2 흐름 제어 수단을 적응성있게 조정하는 단계

를 포함하는 특정 범위 내의 호흡용 혼합 가스의 산소 분압을 제공하기 위한 상기 산소 부유 가스 및 희석 가스의 흐름률 제어하는 방법.
제1항에 있어서,

파라미터 한계를 정의하는 제1 최대 산소 분압값, P_o2 ^MAX를 선택하는 단계;

파라미터 한계를 정의하는 제2 최소 산소 분압값, P_o2 ^MIN을 선택하는 단계;

파라미터 한계를 정의하는 제1 최소 산소 소모율, O₂ ^MIN을 정의하는 단계;

산소 부유 및 희석 가스원의 흐름률의 적당한 조정을 지배하는 파라미터 경계면이 정의되도록 파라미터 한계를 정의하는 제2 최대 산소 소모율, O₂ ^MAX를 정의하는 단계; 및

대기압과 일치하게 파라미터 경계면 내에서 상기 흐름 제어 수단을 적응성있게 조종하는 단계

를 추가로 포함하는 흐름률 제어 방법.
제2항에 있어서,

,

,

,

,

,

이고 P_AMB가 깊이 종속 대기압인 경우 산소 부유 가스원의 흐름률이

로 정의되는 알고리즘과 일치하게 깊이의 함수로 적응성있게 조정되는 흐름률 제어 방법.
제3항에 있어서,

,

,

,

,

,

이고 P_AMB가 깊이 종속 대기압인 경우 희석 가스원의 흐름률이

로 정의되는 알고리즘과 일치하게 깊이의 함수로 적응성있게 조정되는 흐름률 제어 방법.
제4항에 있어서,

산소 부유 가스원이 제1 산소 비율 F_O2가 1.0인 것과 같이 순수한 산소를 포함하는 흐름률 제어 방법.
제5항에 있어서,

희석 가스원이 제2 산소 비율 F_AIR이 0.21인 것과 같은 압축 산소를 포함하는 흐름률 제어 방법.
제6항에 있어서,

최소 산소 분압값이 저산소증의 발병을 피하기에 충분할 정도로 정의되고, 최대 산소 분압이 CNS 산소 중독의 발생을 피하기에 필요한 정도로 정의되어, 최소 및 최대 산소 분압값이 각각 0.21 및 1.60 대기압을 포함하는 흐름률 제어 방법.
제7항에 있어서,

최소 및 최대 산소 소모율이 분당 약 0.5 내지 3.0 표준 리터의 범위에서 선택되는 흐름률 제어 방법.
제1항에 있어서,

a) 수중호흡기의 흐름 루프 내에 산소 센서를 제공하는 단계;

b) 상기 산소 센서에 결합되고, 상기 산소 센서로부터 수신되는 신호에 응답하여 산소 소모율 계산을 수행하도록 구성되는 신호 처리 회로를 제공하는 단계;

c) 상기 산소 센서에 의해 측정된 것으로 실제 조건 하에서 다이버에게 필요한 최대 및 최소 산소 소모율을 정의하는 상기 신호 처리 회로에 의해 다이버의 산소 소모율을 계산하고 기록하는 단계;

d) 계산된 최대 및 최소 소모율과 일치하게 산소 소모 변수 범위를 정의하는 단계; 및

e) 실질적으로 산소 부유 가스 및 희석 가스 흐름률 두가지 모두를 감소시켜 수중호흡기의 가스 활용 효율을 증가시키므로 실질적으로 잠수 시간을 연장시키도록, 정의된 산소 소모 파라미터 범위와 일치하게 상기 제1 및 제2 흐름 제어 수단을 적응성있게 조정하는 단계

를 추가로 포함하는 흐름률 제어 방법.
제9항에 있어서,

파라미터 한계를 정의하는 제1 최대 산소 분압값를 선택하는 단계;

산소 부유 및 희석 가스원의 흐름률의 적당한 조정을 지배하는 파라미터 경계면이 정의되도록 파라미터 한계를 정의하는 제2 최소 산소 분압을 선택하는 단계;

계산된 산소 소모 파라미터 범위 및 대기압과 일치하게 파라미터 경계면 내에서 상기 흐름 제어 수단을 적응성있게 조종하는 단계

를 추가로 포함하는 흐름률 제어 방법.
제10항에 있어서,

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이고 P_AMB가 깊이 종속 대기압인 경우 산소 부유 가스원의 흐름률이

로 정의되는 알고리즘과 일치하게 깊이의 함수로 적응성있게 조정되는 흐름률 제어 방법.
제11항에 있어서,

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이고 P_AMB가 깊이 종속 대기압인 경우 희석 가스원의 흐름률이

로 정의되는 알고리즘과 일치하게 깊이의 함수로 적응성있게 조정되는 흐름률 제어 방법.
제12항에 있어서,

상기 산소 부유 가스원이 제1 산소 비율 F_O2가 1.0인 것과 같은 순수한 산소를 포함하는 흐름률 제어 방법.
제13항에 있어서,

상기 희석 가스원이 제2 산소 비율 F_AIR가 0.21인 것과 같은 압축 공기를 포함하는 흐름률 제어 방법.
제14항에 있어서,

최소 산소 분압값이 저산소증의 발병을 피하기에 충분할 정도로 정의되고, 최대 산소 분압이 CNS 산소 중독의 발생을 피하기에 필요한 정도로 정의되어, 최소 및 최대 산소 분압값이 각각 0.21 및 1.60 대기압을 포함하는 흐름률 제어 방법.
카운터렁(counterlung) 및 이산화탄소 세정기 여과통을 포함하는 흐름 루프로 구성되는 형태의 반폐쇄회로식 수중호흡장치에 있어서,

a) 산소 부유 가스이고, 소정의 산소 비율 F_O2를 갖는 압축 가스를 포함하는 제1 가스 공급;

b) 산소 부유 가스의 산소 비율 F_O2보다는 작은 소정의 산소 비율 F_AIR을 갖는 희석 가스를 포함하는 제2 가스 공급;

c) 수중호흡기의 상기 제1 및 제2 공급과 흐름 루프 사이에 각각 결합되는 제1 및 제2 압력 조절기;

d) 상기 제1 가스 공급의 제1 압력 조절기와 상기 수중호흡기 흐름 루프 사이에 결합되고, 카운터렁으로 가는 산소 부유 가스의 흐름률을 제어가기 위한 제1 흐름 제어기―여기서 제1 흐름 제어기는 여러가지 흐름률을 가지고, 깊이의 함수에 단독으로 종속하는 방법으로 카운터렁으로 가는 산소 부유 가스의 흐름률을 적응성있게 조정함―;

e) 상기 희석 가스 공급의 제2 압력 조절기와 상기 수중호흡기 흐름 루프 사이에 결합되고, 카운터렁으로의 희석 가스 전달을 위한 제2 흐름 제어기―여기서 제2 흐름 제어기는 여러가지 흐름률을 가지고, 깊이의 함수에 단독으로 종속하는 방법으로 카운터렁으로 가는 희석 가스의 흐름률을 적응성있게 조정함으로 실질적으로 잠수 시간을 연장시킴―

를 추가로 포함하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제16항에 있어서,

상기 제1 및 제2 흐름 제어기는 카운터렁으로 가는 산소 부유 및 희석 가스 흐름률을 대기압으로 정의되는 깊이에 실질적으로 선형으로 변하는 것에 따라서 적응성있게 조정하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제17항에 있어서,

상기 제1 및 제2 압력 조절기는 깊이에 실질적으로 선형적으로 변하는 방법으로 중간 압력을 제공하고, 상기 흐름 제어기는 실질적으로 대기압으로 정의된 깊이에 선형적으로변하는 흐름률에서 대기압에 응답하여 카운터렁에 산소 부유 및 희석 가스가 전달되도록 구성되는 음향 구멍을 포함하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제18항에 있어서,

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이고 P_AMB가 깊이 종속 대기압인 경우 산소 부유 가스원의 흐름률이

로 정의되는 알고리즘과 일치하게 깊이의 함수로 적응성있게 조정되는 흐름률 제어 방법.
제19항에 있어서,

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이고 P_AMB가 대기압으로 정의되는 깊이인 경우 희석 가스원의 흐름률이

로 정의되는 알고리즘과 일치하게 깊이의 함수로 적응성있게 조정되는 흐름률 제어 방법.
제20항에 있어서,

하강하는 동안 산소 부유 가스의 흐름률을 감소시켜 산소 분압의 증가를 제어하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제21항에 있어서,

하강하는 동안 산소 부유 가스의 흐름률을 감소시키는 수단이 산소 가스원과 카운터렁 사이에 삽입되는 정확한 체적―여기서 정확한 체적은 하강률이 임계치보다 작은 경우 산소 부유 가스를 카운터렁에 흘려보내도록 허락함―을 포함하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제22항에 있어서,

하강하는 동안 산소 부유 가스의 흐름률을 감소시키는 수단이

a) 압력 변환기;

b) 상기 산소 부유 가스원에 결합되는 전자 제어 밸브; 및

c) 하강률을 계산하기 위한 신호 처리 회로―여기서 신호 처리 회로는 추가로 하강률과 일치하게 카운터렁으로 가는 산소 부유 가스 흐름률을 제어하기위해 전자 제어 밸브에 제어 신호를 추가로 제공함―

를 추가로 포함하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제16항에 있어서,

압력 변환기 및 산소 분압의 최소 및 최대값, 산소 소모의 최소 및 최대값, 산소 부유 가스의 산소 비율 F_O2, 희석 가스의 산소 비율 F_AIR, 및 압력 변환기에 의해 제공되는 깊이로 구성되는 사용자 입력 데이터에 근거한 계산을 수행하는 프로그램 가능한 펌웨어(firmware)인 신호 처리기―여기서 신호처리기는 제1 및 제2 흐름 제어기를 통과하는 산소 부유 가스 및 희석 가스의 흐름률을 적응성있게 조정하기 위해 상기 제1 및 제2 흐름 제어기에 기능적으로 연결되어 깊이의 함수에 단독으로 종속하는 방법으로 소정의 최대 및 최소값 내에서 수중호흡기의 카운터렁 내의 산소 분압을 유지함―를 추가로 포함하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제24항에 있어서,

상기 제1 및 제2 흐름 제어기는 전자 제어되는 매스 흐름 제어기로써 디지털 신호 처리 회로에 의해서 제공되는 제어 신호와 일치하게 산소 부유 가스 또는 희석 가스의 흐름률을 제한 하거나 증가시키도록 조정하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제25항에 있어서,

상기 신호 처리 회로가 최대 및 최소 산소 분압와, 최대 및 최소 산소 소모율와, 산소 부유 가스원 및 희석 가스원의 산소 비율와로 구성되는 사용자 정의 파라미터 경계면과 일치하게 산소 부유 가스를 위한 깊이 종속 흐름률이

에 따라서 계산되는 반폐쇄회로식 수중호흡기―여기서

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이고 P_AMB는 깊이 종속 대기압임―.
제26항에 있어서,

상기 신호 처리 회로가 최대 및 최소 산소 분압와, 최대 및 최소 산소 소모율와, 산소 부유 가스원 및 희석 가스원의 산소 비율와로 구성되는 사용자 정의 파라미터 경계면과 일치하게 산소 부유 가스를 위한 깊이 종속 흐름률이

에 따라서 계산되는 반폐쇄회로식 수중호흡기―여기서

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이고 P_AMB는 깊이 종속 대기압임―.
제27항에 있어서,

상기 최소 산소 분압이 약 0.21 대기압, 상기 최대 산소 분압이 약 1.6 대기압, 상기 최소 산소 소모율이 약 0.5 SLM 및 상기 최대 산소 소모율이 약 3.0 SLM인 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제28항에 있어서,

산소 부유 가스원이 산소 비율 F_O2가 1.0인 순수한 산소를 포함하고, 희석 가스원이 산소 비율 F_AIR이 0.21인 압축 공기인 반폐쇄회로식 수중호흡기.
제24항에 있어서,

상기 수중호흡기 흐름 루프에 배치되는 산소 센서; 및

상기 산소 센서에 결합되고, 상기 산소 센서로부터 수신되는 신호에 응답하여 산소 소모율 계산을 수행하도록 구성되고, 상기 산소 센서에 의해 측정된 것으로 실제 조건 하에서 다이버에게 필요한 최대 및 최소 산소 소모율을 정의하기 위해 다이버의 산소 소모율을 계산하고 기록하며, 정의된 산소 소모 변수 범위와 일치하게 및 깊이의 함수로써 상기 제1 및 제2 흐름 제어기를 적응성있게 조정하는 신호 처리 회로

를 추가로 포함하는 반폐쇄회로식 수중호흡기.
카운터렁(counterlung)을 포함하는 흐름 루프로 구성되는 폐회로형 수중호흡장치에 있어서,

a) 호흡 가스 공급원;

b) 상기 호흡 가스 공급원과 상기 흐름 루프 사이에 연결되는 압력 조절기;

c) 흐름 루프로의 호흡 가스 흐름률을 제어하기 위한 것으로, 상기 압력 조절기와 흐름 루프 사이에 연결되고, 여러가지 흐름률을 갖는 매스 흐름 제어기;

d) 대기압의 함수로 깊이를 나타내기 위한 압력 변환기;

e) 호흡 가스원 용량 지시계;

f) 산소 센서; 및

g) 상기 압력 변환기, 상기 가스원 용량 지시계 및 상기 산소 센서로 부터 데이터를 수신하도록 구성되고, 상기 데이터에 근거하여 또는 축적된 전신 산소 중독 시간을 최소화 하면서 바닥(bottom) 시간과 무감압 시간을 최대화 하는 수중호흡기의 카운터렁 내에서 산소분압을 정의하기 위해 전신 산소 중독 시간 한계, 및 무감압 시간 한계를 포함하는 사용자 입력 데이터에 근거하여 계산을 수행하도록 프로그램 가능한 펌웨어(firmware)인 디지털 신호 처리기

를 포함하는 수중호흡기.
제31항에 있어서,

상기 신호 처리 회로가 호흡 가스원 용량 제한 시간이 결정된 무감압 시간과 같은 경우에 제1 산소 분압을 계산하고, 상기 신호 처리 회로가 추가로 호흡 가스원 용량 제한 시간이 남아있는 전신 산소 중독 제한 시간과 같은 경우에 제2 산소 분압을 계산하는 수중호흡기.

수중호흡기.
제32항에 있어서,

상기 신호 처리 회로가 계산된 제1 및 제2 산소 분압의 최소치를 결정하기 위해 추가로 개조되고, 상기 신호 처리 회로는 산소 분압이 상기 최소치와 일치할때 호흡 가스원이 호흡 가스를 공급하는 조건이 되도록 매스 흐름 제어기를 추가로 조정하는 수중호흡기.
제33항에 있어서,

상기 신호 처리 회로가 잠수 중에 일정 간격마다 제1 및 제2 산소 분압을 계산하고, 상기 신호 처리 회로는 주기적으로 계산되는 제1 및 제2 산소 분압의 최소치를 정의하여 바닥 시간을 최대화 하기위해 수중호흡기의 카운터렁 내에서 산소 분압을 능동적으로 조정하는 수중호흡기.
제33항에 있어서,

제1 산소 비율 FO2를 갖는 제1 산소 부유 가스원;

제2 산소 비율 FAIR를 갖는 제2 희석 가스원; 및

매스 흐름 제어기가 각각 상기 제1 산소 부유 가스원 및 제2 희석 가스원에 연결되는 제1 및 제2 매스 흐름 제어기를 포함하고, 상기 제1 및 제2 매스 흐름 제어기는 각 가스원에서 카운터렁으로 흐르는 가스흐름을 제어하기위해 개별적으로 조정할 수 있는

수중호흡기.
제35항에 있어서,

상기 제1 및 제2 매스 흐름 제어기는 전자 제어 밸브를 포함하고, 제어 신호를 상기 신호 처리 회로로 부터 수신하고 그 신호에 응답하여 동작하도록 구성되고, 상기 제1 및 제2 매스 흐름 제어기는 적응성 있게 조정되어 상기 신호 처리 회로에서 수신되는 명령과 일치하게 산소 분압을 변화시키도록하는 수중호흡기.
카운터렁(counterlung)을 포함하는 흐름 루프에 여러가지 산소 분압으로 혼합 호흡 가스를 제공하도록 구성되는 호흡 가스원, 감압 시간 및 전신 산소 중독에 필요한 시간을 최소화 하여 잠수 시간을 최대화 하기 위해 산소 분압을 적응성있게 형성하는 방법을 포함하는 폐회로형 수중호흡장치에 있어서,

호흡 가스원 탱크의 용량에 종속하는 제1 시간 한계를 정의하는 단계;

산소 분압의 함수로서의 깊이에서 무감압 시간에 종속되는 제2 시간 한계를 계산하는 단계;

산소 분압의 함수로서 전신 산소 중독률 축적에 종속되는 제3 시간 한계를 계산하는 단계;

제1 용량 한계 시간이 제2 무감압 시간과 동일할 경우에 제1 산소 분압을 결정하는 단계;

제1 용량 한계 시간이 전신 산소 중독 한계 시간과 동일할 경우에 제2 산소 분압을 결정하는 단계;

감압 시간 및 전신 산소 중독 축적을 최소화 하면서 잠수 시간을 최대화 하기 위해 산소 분압의 최적값을 정의하는 단계

를 포함하는 상기 산소 분압 형성 방법.
제37항에 있어서,

상기 최적 산소 분압이 상기 제1 및 제2 결정 산소 분압보다 작거나 같은 산소 분압 형성 방법.
제38항에 있어서,

산소 센서를 제공하는 단계; 및

계산을 수행하도록 구성되는 신호 처리 회로―여기서 신호 처리 회로는 매스 흐름 제어기에 결합되고, 상기 제어기에 제어신호를 제공하고, 최적값에서 수중호흡기 내의 산소 분압을 유지시키기 위해 매스 흐름 제어기를 적응성있게 조정함―를 제공하는 단계

를 추가로 포함하는 산소 분압 형성 방법.
제39항에 있어서,

상기 신호 처리 회로가 잠수 중에 일정 간격마다 제1 및 제2 산소 분압을 결정하고, 상기 신호 처리 회로는 각 결정때마다 최적의 산소 분압값을 정의하고 매스 흐름 제어기를 적응성 있게 조정하여 수중호흡기 내의 산소 분압을 능돋적으로 유지하는 산소 분압 형성 방법.
제40항에 있어서,

최소의 제1 산소 소모값을 정의하는 단계;

최대의 제2 산소 소모값 값를 정의하여 변수 경계 영역을 정의하는 단계; 및

잠수 깊이의 함수로 대기압에 종속하는 방법으로 호흡 가스 흐름률을 변화시키도록 매스 흐름 제어기를 적응성있게 조정하는 단계

를 추가로 포함하는 산소 분압 형성 방법.
제41항에 있어서,

산소 센서로 측정된 것에 의해 실제 조건 아래서 다이버를 위한 최대 및 최소 산소 소모율을 정의하는 상기 신호 처리 회로로 산소 소모율을 계산하고 기록하는 단계;

깊이에 종속되는 방법에서 최적 산소 분압 및 계산된 산소 소모율의 최대·최소값으로 호흡 가스를 수중호흡기로 전달하기 위해 매스 흐름 제어기를 적응성 있게 조정하는 단계

를 추가로 포함하는 산소 분압 형성 방법.