크라이오닉스 인스티튜트, 회원

크라이오닉스 인스티튜트(CI)는 2005년부터 컴퓨터로 제어하는 냉각 상자 두 대를 보유해 왔습니다. 하나는 인체 환자용 대형 상자이고, 다른 하나는 반려동물과 시험에 사용하는 소형 상자입니다. 이 냉각 상자들은 관류를 마친 환자나 반려동물의 온도를 물과 얼음의 온도보다 높은 상태에서 장기 보관에 필요한 액체질소 온도까지 낮추도록 설계되었습니다. 관류에 유리화 용액을 사용하는 경우, 얼음 형성을 막기 위해 고화 온도(Tg, 약 −120°C)에 도달하기 전까지 빠르게 냉각해야 합니다. 반면 고화 온도 아래에서는 균열을 방지하거나 최소화하기 위해 액체질소 온도까지 천천히 냉각해야 합니다. 다른 상황이나 시험에서는 다른 냉각 온도 변화 방식이 필요할 수도 있습니다. 컴퓨터 제어 냉각 상자를 사용하면 어느 온도 구간에서든 냉각 속도를 어느 정도 정밀하게 제어할 수 있고, 수동 감독은 최소한으로 줄일 수 있습니다. 실제로 일어나는 온도 변화도 기록하므로 냉각 곡선을 만들고 연구할 수 있습니다.

2005년부터 2009년까지 두 냉각 상자의 컴퓨터 제어에는 Wineman Technology, Inc.가 CI를 위해 맞춤 제작한 LabView/National Instruments 시스템을 사용했습니다.

미시간주 클린턴타운십의 극저온 기술자 마크 맥메이컨은 소형 냉각 상자를 제작하고, 두 상자에 사용할 제어 장치를 제공했습니다.

대형 냉각 상자는 목재와 압출 폴리스티렌 폼 단열재로 만들어졌습니다. 소형 냉각 상자는 스테인리스강과 폼 단열재의 한 종류로 만들어졌습니다. 두 냉각 상자 내부에는 액체질소를 분사할 수 있는 작은 구멍들이 뚫린 긴 막대가 있습니다. 액체질소 자체도 매우 차갑지만, 냉각 효과의 상당 부분은 액체질소가 기체로 기화하면서 흡수하는 열에서 나옵니다. 즉 액체질소의 기화는 흡열 과정입니다. 액체질소의 기화열은 몰당 5.57킬로줄입니다.

(흡열 과정에서는 엔트로피 증가가 엔탈피 감소보다 큽니다. 다시 말해 분자들은 액체 상태의 제약보다 기체 상태의 자유를 선호하며, 기체가 되기 위해 열을 흡수합니다. 장작을 태우거나 자동차에서 휘발유를 연소시키는 것은 열을 흡수하는 대신 방출하므로 발열 과정입니다.)

냉각 상자로 액체질소를 주입하는 과정은 액체질소용으로 설계된 Magnatrol Type-M 상시 닫힘 밸브(10M61Z)로 제어합니다. 압력 조절기는 주입 압력을 45PSI(제곱인치당 파운드)로 유지합니다. 액체질소 탱크에 설치된 75PSI 압력 안전밸브는 탱크 압력이 75PSI에 도달할 때마다 기체를 배출합니다. 탱크 압력이 너무 높으면 45PSI 압력 조절기가 효율적으로 작동하는 데 방해가 됩니다.

Magnatrol 밸브는 냉각 상자에 부착된 전원·릴레이 상자의 전기 릴레이 스위치로 제어됩니다. 다만 전원·릴레이 상자의 토글 스위치가 위쪽 위치에 있을 때만 제어할 수 있습니다. 컴퓨터 제어기에서 보내는 +24볼트 직류(DC) 신호를 받으면 벽면 콘센트의 교류(AC) 전원으로 Magnatrol 밸브가 열립니다. 밸브를 닫아야 할 때에는 컴퓨터 제어기에서 전압이 나오지 않습니다(0볼트 신호). 교류 전원이 Magnatrol 밸브를 작동시키는 동안에는 전원·릴레이 상자의 주황색 표시등이 켜집니다.

컴퓨터 제어기가 받는 신호는 냉각 상자 안의 열전대에서 측정한 온도를 바탕으로 합니다. 이 열전대는 환자 내부 또는 시험 대상물에 설치합니다. CI는 −200°C에서 +350°C까지 작동하는 T형 비드 열전대 탐침을 사용합니다.

마크 맥메이컨의 권유로 저는 Omega 1/16 DIN CN96111TR-C2 제어기를 구입했습니다. 전자 분야 교육을 받은 앤디 자와키가 제어기를 배선했습니다. 새 제어기를 사용하자 Magnatrol 솔레노이드 밸브가 큰 소리를 내며 진동했고, 저는 솔레노이드에 결함이 있다고 의심했습니다. 결국 마크와 앤디는 문제의 원인을 찾아냈습니다. National Instruments 제어기에는 직류 릴레이가 필요하지만, Omega 제어기에는 교류 릴레이가 필요했던 것입니다. 우리는 직류 릴레이에 교류 전류를 흘려보내고 있었습니다. 직류 릴레이를 교류 릴레이로 교체하자 솔레노이드 밸브의 시끄러운 진동이 멈췄습니다.

Omega 제어 장치의 전력 소비량은 약 45와트로 매우 낮습니다. 우리는 정전 시에도 냉각 상자를 16시간 동안 계속 가동할 수 있는 APC Smart-UPS XL1000 무정전 전원장치(UPS)와 APC 배터리 팩을 마련했습니다. 그 정도면 문제를 발견하고 발전기를 가동하거나, 더 가능성이 높은 경우 전력이 복구될 때까지 기다리기에 충분한 시간입니다.

노트북의 설정 화면에서 작업자는 일련의 냉각 단계를 입력할 수 있으며, 각 단계에는 목표 온도를 지정합니다. Magnatrol 밸브가 열리는 빈도와 열려 있는 시간은 해당 냉각 단계의 설정값과 제어용 열전대의 온도를 바탕으로 컴퓨터가 계산합니다. 컴퓨터 화면에는 냉각 곡선이 표시되며, 나중에 검토하거나 인쇄할 수 있도록 저장할 수 있습니다.

환자를 물과 얼음의 온도에서 액체질소 온도까지 냉각하는 단계의 한 예는 다음과 같습니다.

컴퓨터는 각 단계에서 원하는 시간(예: 8시간) 안에 목표 온도(예: −130°C)에 도달하는 데 필요한 냉각 속도, 즉 냉각 곡선의 기울기를 계산합니다. 프로그램이 시작되면 컴퓨터는 제어용 열전대의 측정값을 반영해 필요한 냉각 속도에 맞춰 Magnatrol 밸브를 열기 시작합니다. 이 제어용 열전대는 뇌 온도를 추정하기 위해 환자의 목에 설치한 열전대입니다.

LabView/NI 소프트웨어와 하드웨어는 열전대 네 개를 사용할 수 있었지만, Omega 소프트웨어와 하드웨어는 열전대 한 개만 사용할 수 있습니다. 다만 저는 LabView/NI 시스템을 충분히 사용해 보았기 때문에, 냉각 과정에서 주변 온도와 신체 온도, 뇌 온도가 어떤 관계를 보이는지 이해하고 있습니다. 냉각은 주변 온도를 기준으로 제어하며, 그 결과 환자를 가장 완만하게 냉각할 수 있습니다. 열전대에서 보이는 온도 변동만 보면 오히려 가장 완만하지 않은 것처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않습니다.

온도 탐침이 하나뿐이고 그래픽 기능도 제한적이므로, Omega 시스템의 그래프 작성 기능은 LabView보다 단순합니다. 단일 탐침에서 얻은 Omega 데이터는 Microsoft Excel 파일로 내보낼 수 있으며, Excel의 차트 기능을 이용해 그래프를 만들 수 있습니다.