기계적으로 호흡을 돕는 장치, 즉 인공호흡기의 기원은 제2차 세계대전으로 거슬러 올라간다. 비행기 조종사들이 보다 높은 고도에서 숨을 쉴 수 있어야 하기 때문이다. 이를 치료에 도입한 것은 1950년대다. 당시 소아마비가 유행함에 따라 인공호흡의 필요성이 급증했던 것. 

 

사람의 호흡만으로 생명을 유지하기 힘들 때에 인공 산소호흡기를 사용한다. 환자가 자연적으로 호흡하는 과정이 생명을 유지하기에 부족할 때 호흡기를 부착하는 것. 기타 생리적 기능이 쇠약해지는 것을 방지하기 위해, 그리고 폐의 효과적이지 못한 가스 교환을 막기 위해서도 인공호흡기를 사용한다.
 

병원 및 현장에서 기계적인 호흡은 수술 전후의 환자 혹은 우발적인 폐 기능 장애 혹은 급성·만성 폐질환 환자의 수명을 크게 높였다. 동시에 과거에는 쾌적함을 위한 방법 중 하나였던 자택치료 요법이 최근 수명연장이라는 과제를 안은 의학 분야에서 다시금 주목을 받게 되었다.
 

수면무호흡증은 한때 단순히 불쾌감을 야기할 뿐인 증상이었으나, 현재는 혈압 상승이나 당뇨병 등 여러 의학적 합병증의 원인으로 주목받고 있다. 이를 극복하기 위해  보급형 인공호흡기가 각광받고 있다.

의학적인 호흡기술이 등장했던 당시에는 장치가 고정되어있었으며, 병원으로부터 공급받는 산소 및 압축공기에 의존했다. 하지만 시간이 지남에 따라 인공호흡기는 자체적으로 압력 및 유량을 제어하고 공급할 수 있는 자율적인 휴대장치로 발전했다. 폐 수술 후 폐쇄성 수면무호흡증(OSA)이 발병하거나 전 세계적으로 증가하고 있는 사망 원인 중 하나인 급성 호흡기능상실 혹은 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)등의 질환을 가진 환자는 가정에서 편안하고 안전하며 빠르게 회복해야 한다. 따라서 인공호흡기의 소형화 추세는 앞으로도 계속될 전망이다.
 

또한 과거 산소호흡기에 사용하던 밸브 혹은 피스톤 구동 솔루션은 점차 고속 마이크로터빈 블로워 구동식 호흡기로 교체되고 있는 추세다. 새로운 호흡기는 크게 집중치료·자택치료·이동식 호흡기 및 신생아 호흡기 등 4개 종류로 구별할 수 있다.
 

특정 모터 및 팬을 포함하는 고효율 블로워 시스템은 흡기압(IPAP)과 호기압(EPAP)을 모터 속도에만 작용함으로써 발생 및 제어될 수 있도록 설계되었다. 이 장치는 100~200밀리초 안에 모터 속도를 15000rpm에서 60000rpm까지 올리거나 내림으로써 환자의 자연발생적인 호흡 패턴에 가장 가까운 상태를 선택 및 실행할 수 있다. 이를 통해 치료 수용력을 극대화한다. 뿐만 아니라 터빈 블로워 설계로는 불가능했던 삽관식 호흡법 역시 실현할 수 있게 됐다.
 

100CmH2O의 압력 및 200L/분을 초과하는 유량은 이제 흔한 요건이 되었다. 브러시리스 모터를 장착한 Portescap 블로워는 이러한 요건을 충족할 수 있다. 브러시리스 기술은 매우 빠르거나 느린 속도에서도 긴 제품 수명을 제공한다. 볼 베어링 제조업체들과의 협력을 통해 속도·부하·산소함량·소음 수준 등 여러 여건에 적합한 솔루션을 보장한다. 동시에 이동성 호흡 솔루션에 대한 수요가 높아지며 보다 긴 배터리 수명과 효율도 자랑한다.
 

모터 효율을 이해하기 위해 부하를 받는 모터로 인해 일어나는 일부 손실에 대해 검토한다. 와전류 손실과 준 손실이 그것이다. 만약 이들 두 손실을 최소화하지 않으면 배터리 수명불량 및 모터 온도의 상승에 직접적으로 영향을 미치며, 이어 베어링 수명 및 호흡기 내부 구성부품의 온도에도 부정적인 영향을 준다. 이 중 후자를 극복하려면 많은 경우 냉각팬 및 통풍구를 추가로 탑재해야 하는데, 이로 인해 호흡기 소음이 증가하고 제품원가 역시 상승한다.

 

줄 손실은 I².R로 표시한다. 여기에서 R은 모터의 저항이며 I는 소비된 전류를 나타낸다. 

효율이 좋은 모터는 일을 수행하는 데 전류를 적게 보시한다. 반면 덜 효율적인 모터는 동일한 일을 수행하는데 훨씬 많은 전류를 소비한다. 그 결과 더 많은 열이 발생한다.
 

특정 코일 설계 및 최적화된 자기 회로를 통해 슬롯과 브로시가 없는 포르테스캡 모터는 전류의 소비가 매우 적다. 따라서 배터리 및 전원공급장치의 크기를 줄여 호흡기 이동성을 크게 개선했다.

또한 환자의 치료 수용력을 높이기 위해서는 모터가 호흡기의 속도 증감에 대한 명령에 보다 충실하게 응답하는 것이 바람직하다. 

 

다음과 같은 사항을 고려해보자.

▲Ji: 팬 임펠러의 관성 ▲Jm: 모터 회전자의 관성 ▲α: 바람직한 가속도라고 가정하자. 

이들 관성을 가속하는 데 요구되는 토크 T는, T = (Ji+Jm).α이다(이를 식 1이라 한다).

 

이제 또 다음을 고려하자.

▲K: 모터의 토크 상수(주어진 전류에서 모터가 토크를 만드는 능력)

가속 시 소비되는 전류 I는  I=T/k로 표시할 수 있다.

이를 식 1과 결합하면, 가속 시 소비되는 전류 I는 I=(Ji+Jm).α/K으로 표현할 수 있다.

 

위의 공식을 통해 시스템 관성을 최적화하는 것은 가속 단계에서의 열 손실을 관리하는 데 중요하다는 것을 알 수 있다. 소비된 전류의 제곱에 비례하기 때문이다(I².R). 이러한 측면에서 최종 솔루션을 최적화하려면 자석 등급과 강도 그리고 치수를 선택하는 능력이 중요하다.
 

신생아용으로는 분당 호흡수가 높고 압력 및 부피가 낮은 호흡기가 필요하다. 이러한 호흡기는 가속 단계에서의 손실을 최소화하고 최대 90bpm을 허용하기 위해 16㎜ 등의, 관성이 작은 모터를 선택할 가능성이 크다. 성인용 호흡기는 높은 압력과 보다 큰 부피, 보다 낮은 bpm을 필요로 한다.

와전류 손실

와전류 손실은 작동 중인 모터에서 발생하는 또 다른 주요 손실이다. 이 손실은 강철 앞에서 자기장을 회전시킬 때에 발생하며, 열을 일으킨다. 이 현상은 모터의 회전자 마그넷이 고정자 라미네이션 앞에서 매우 높은 속도로 회전할 때 모터 내부에서 발생하는 현상과 같다. 와전류 손실은 주파수의 제곱에 비례한다.
 

현대 호흡기의 압력 및 유량에 대한 요건이 증가하고 이에 따른 모터 회전속도 요건 역시 높아졌다. 따라서 각각의 호흡용도에 맞는 최상의 모터를 설계할 때에는 압력과 유량 그리고 모터의 회전속도를 고려하는 것이 바람직하다. 회전자 자극 쌍의 개수 역시 중요한 요인이다.
 

라미네이션 소재 및 그 두께는 높은 속도에서 일어나는 손실에 영향을 미친다. 모터 설계를 위한 중요한 요소인 이유다. 낮은 core-loss 철강 라미네이션 소재 및 보다 얇은 두께는 모터의 작동 온도를 낮춘다. 하지만 모터의 원가에도 곧바로 영향을 미친다. 
 

슬롯이 없는 Portescap 모터의 Self-Sustaining 코일 기술은 라미네이션이 필요 없다. 사실상, 슬롯이 있는 전형적인 브러시리스 모터 고정자 코일은 그 측면에 생성된 라미네이션 치(laminations teeth)의 주변에 감긴다. 반면 슬롯이 없는 모터 설계의 장점은 빈틈(마그넷과 동선 사이의 간격 부분)에 철이 개입되지 않는다는 점이다. 그 결과 철손이 더욱 감소한다. 이 설계는 보다 부드러운 회전을 실현한다. 마그넷이 고정자 치에 의해 생긴 어떤 선호 위치로도 끌리지 않기 때문이다. 그 결과 진동 및 소음 수준을 줄일 수 있다.
 

이러한 개선을 거친 설계의 남은 잔류 손실(와전류 손실, 줄 손실)은 동일한 요건 하에서 이전 세대의 모터에 비해 25% 정도의 작동 온도 저하를 실현한다.

길이

길이는 모터를 선택할 때 고려하여야 하는 또 다른 요소다. 보다 긴 모터는 토크 상수인 k를 증가시키고, 이에 따라 보다 짧은 모터의 경우와 동일한 부하 하에서도 필요한 전류를 감소시킨다. 동시에 손실에 의해 발생된 온도 상승을 적절히 줄인다. 와전류 손실은 라미네이션 재료의 양에 따라 증가하지만, 모터 길이가 늘어나도 관성의 부정적인 영향은 미미한 수준이다(단, 그 직경이 증가하는 경우에는 큰 영향을 받는다).