[공압 지식] 의료 및 실험용 On/Off Isolation 솔레노이드 밸브란 무엇인가?

[공압 지식] 의료 및 실험용 On/Off Isolation 솔레노이드 밸브란 무엇인가?

혈액, 의약품 및 시약과 같은 매체를 오염시키지 않고 흐름을 제어하기 위해 다양한 의료기기 및 분석장비에서는 ISOLATION 밸브를 활용합니다. 이번 글은 이러한 ISOLATION 밸브의 세가지 주요 유형의 특성에 대해 설명하고자 합니다. 각각의 장단점을 비교함으로써 어떤 밸브 유형이 사용자의 특정 용도의 요구를 가장 잘 충족시킬지를 결정하는데 도움을 드리고자합니다.

 

---

ISOLATION 밸브는 혈액이나 의약품과 같은 오염에 취약한 매체로부터 밸브의 작동 매커니즘을 분리하는 장치입니다. ISOLATION 밸브는 2-WAY나 MULTI-PORT 유형으로 구성될 수 있으며 일반적으로 매체의 흐름을 비례적으로 조절하기 보다는 간단한 ON/OFF 기능이 필요한 어플리케이션에 사용됩니다. 이러한 유형의 밸브는 분석, 진단 또는 치료장비에서 정밀하고 반복 가능한 매체 분사가 필요한 경우를 포함하여 많은 유형의 의료 어플리케이션에 적합합니다.

 

어떤 유형의 ISOLATION 밸브가 사용자의 요구사항에 가장 적합할까요?

 

세가지 유형의 ISOLATION 밸브

우선 크게 세가지 유형으로 나뉘어질 수 있습니다. 라커(Rocker)와 다이아프램(Diaphragm) 방식의 밸브가 있으며 마지막으로 핀치(Pinch) 밸브는 공식적으로는 ISOLATION 밸브에 속하지는 않지만 ISOLATION 밸브 기능의 정의를 충족합니다. 앞으로 각각의 밸브의 장단점을 비교하면서 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 

 

그전에 우선 ISOLATION 밸브의 특성을 설명하는 몇 가지 핵심 개념에 대해 알아볼까요?

 

■ Dead Volume

          - 밸브 정상 작동 중에 매체가 흘러가지 못하고 남게 되는 밸브 내부의 공간을 의미합니다. 다중 환자로부터 진단 샘플을 채취하는 등 교차 오염이 문제가 되는 용도에 대해서는 이를 최소화하거나 제거하는 것이 필수적입니다.

 

■ Internal Volume

          - 밸브가 닫혀있을 때 내부에 존재하는 유체의 양

 

■ Swept Volume

          -  밸브 내부의 유로의 부피입니다. Swept Volume과 Internal Volume이 동일하다는 것은 Dead Volume이 0임을 의미합니다. 

 

■ Wetted Materials

          - 밸브를 통과하는 매체와 접촉하는 모든 요소들을 의미합니다.

 

 

---

 

Rocker Style Isolation Valves

라커 타입의 밸브는 로커 매커니즘을 사용하여 밸브 시트를 닫아 유로를 격리하는 솔레노이드 작동식 밸브입니다. 위의 그림을 보시면 중간의 원형부분을 기점으로 검은색 시트 부분이 열렸다 닫히는 방식입니다. 

 

라커 Isolation Valve는 일반적으로 다이아프램 Isolation Valve보다 컴팩트하기 때문에 특정한 공간적 한계가 있는 어플리케이션에 적합합니다. 라커 Isolation Valve의 다른 장점으로는 Internal Volume이 적으면서 작동시간이 빠르고 저렴합니다. 

 

하지만 위 밸브는 Internal Volume이 낮음에도 불구하고 Diaphragm 밸브에 비해 Dead Volume이 더 많고 유로 내부의 매체가 비교적 잘 막히게 됩니다. 이는 교차 오염의 위험이 증가할 수 있기 때문에 특정 용도에 문제가 될 수 있는 위험성을 갖게 됩니다. 또 다른 고려할 요인은 라커 밸브 내부에는 탄성이 있는 씰링이 사용되므로 다이아프램 밸브에 비해 사용수명이 짧고 특정 유체들의 경우는 화학적 요인으로 사용하지 못하는 못하는 경우도 있습니다. 

 

라커 Isolation Valve는 주로 산업용 디스펜싱 혹은 다른 밸브들을 구동하기 전단계에 사용되고 있습니다.

 

Diaphragm Style Isolation Valves

 

Membrane Valve라고도 알려져 있는 다이아프램 Isolation 밸브는 밸브 시트를 씰링하고 유로를 격리하기 위해 솔레노이드로 구동되며 확장 및 수축하는 다이아프램을 사용합니다. 위 밸브의 경우 2-WAY 혹은 3-WAY로 구성할 수 있습니다.

 

라커 밸브에 비해 다이아프램 스타일의 Isolation 밸브는 수명이 훨씬 길며, Dead Volume이 작고, 내부에 남아있는 매체가 적습니다. 이러한 유형의 밸브의 또 다른 이점은 밸브 시트를 차단하기 위해 PTFE와 같은 소재로 다이아프램을 설치할 수 있으므로 다양한 화학 매체들을 사용할 수 있습니다.이러한 유형의 밸브는 완전히 불활성 유체를 포함하여 불활성 물질로 제작될 수 있습니다. 따라서 다이아프램 Isolation 밸브는 부식성 매체를 포함하는 어플리케이션에 이상적입니다.

 

다이아프램 유형의 밸브를 선택할 때는 다이아프램 재질과 사용하는 매체가 호환가능한지 고려하는 것이 중요합니다. 일부 다이아프램 밸브는 FKM 또는 EPDM과 같은 탄성 막을 사용하기 때문입니다. 저러한 재질들은 높은 유연성으로 소량의 미세한 입자를 막아낼 수 있지만 메틸 알코올이나 암모니아와 같은 흔한 화학물질들을 사용할 수 없습니다. 부식성 매체를 포함하는 화학요법 치료 또는 기타 화학 매체가 포함되는 어플리케이션의 경우 PTFE와 같은 보다 견고하고 특수 설계된 비탄성 다이아프램 Isolation 밸브를 사용해야합니다.

 

부식성 매체와 함께 사용할 밸브를 선택할 때 밸브의 Wetted Part가 모두 불활성인지 확인하는 것이 중요합니다. 교차 오염을 방지하고 긴 밸브 사용수명을 위해서 이러한 작업이 필요합니다. 

 

 

Pinch Vavles

 핀치밸브는 탈착식 일회용 튜브를 눌러서 유로를 열고 닫는 장치입니다. 공식적으로 Isolation Valve에 속하지는 않지만 핀치 밸브는 Isolation Valve와 동일한 기능을 수행합니다. 핀치밸브는 간단한 On/Off의 2-WAY 밸브로서 단일 튜브로 구성되거나 다중 튜브를 장착하여 3-WAY로 이용될 수도 있습니다.

 

핀치 밸브는 솔레노이드 전기, 공기압 또는 수동으로 작동할 수 있습니다. 솔레노이드 작동의 핀치밸브의 작동 동력은 밸브의 용도와 크기에 따라 달라집니다. 대부분 전압 범위인 12vdc OR 24vdc에서 0.5 ~ 10와트의 AC 또는 DC를 끌어 당기며 의료 시스템의 내부 전력으로 사용될 수 있습니다. 

 

공압식 핀치밸브는 솔레노이드의 폭발 및 발화 위험성을 제거합니다. 또한 솔레노이드에 비해 더 큰 힘을 전달할 수 있으므로 더 큰 튜브를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 또 다른 장점은 크기인데, 공압적으로 조종되는 밸브의 특성상 작은 키기여도 더 많은 힘을 제공할 수 있으므로 크기는 더 작고 더 작은 공간에 맞게 설계될 수 있습니다.

 

의료 용도로 핀치밸브는 일반적으로 의료용 실리콘 튜브를 사용합니다. 화학적 호환성이 문제가 되는 경우 핀치밸브의 경도와 튜브의 내외경이 일치하는 경우 다른 재료의 튜브를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 클로로포르, 에테르 및 일부 일반 알코올이 함유된 매체는 실리콘 튜브를 용해시키지만 네오프렌 튜브는 안전하게 사용될 수 있습니다. 

 

튜브의 관을 게이트 요소로 사용함으로써 핀치밸브는 복잡한 매커니즘 없이도 Interanl 또는 Dead Volume이 0인 효과적인 매체 격리 역할을 수행합니다. 이는 또한 핀치밸브가 운반하는 매체에서 상단한 수준의 미립자가 있어도 견딜 수 있게 합니다.

 

 핀치밸브의 가장 큰 장점은 사용되는 튜브가 고장나거나 엄격한 교차 오염 통제가 필요한 겨웅 쉽게 교체할 수 있다는 점입니다. 

 

핀치밸브에도 몇가지 단점이 있습니다. 예를 들어, 다이아프램 Isolation 밸브보다 작동하기 위해 더 많은 전력이나 공기압이 필요할 수 있습니다. 또한 반복적으로 사용한 후에 핀치 튜브의 모양이 변형되는 경향이 있는데 이는 유량을 감소시키고 밸브가 막힐 수도 있게끔 만드는 현상입니다. 핀치밸브에 사용되는 튜브들은 상당히 낮은 경도(44 ~ 55 경도)여서 고압 매체를 사용할 수 없다는 점도 고려해야할 요인입니다. 결과적으로 연성튜브의 경우 20-30psi 범위의 매체를 사용할 수 있습니다. 

 

이러한 문제에도 불구하고 일회용 튜브에 의해 제공되는 완벽한 무결성은 정맥 시스템, 약물 전달 및 투석 기구와 같은 많은 의료 용도에 탁월한 선택입니다. 또한 샘플링 투약 및 주입과 같은 환자 치료 어플리케이션에도 자주 사용됩니다. 

 

---

사용수명에 대한 고려

 

의료기기는 장기간 안정적으로 작동해야 하므로 구성부품의 작동 수명은 중요한 설계 고려사항입니다. 다른 매커니즘들과 마찬가지로 밸브는 유한한 수명을 가지지만 밸브에 따라 그 격차는 눈에 띄게 다릅니다. 예를 들어, 탄성 다이아프램을 사용하는 Isolation 밸브는 종종 수억 사이클의 사용수명을 보여주는 반면 비탄성 다이아프램 밸브의 경우 수백만 사이클의 사용수명을 보여줍니다. 비탄성 물질(PTFE)는 비교적 부드러우며 가속 마모를 겪기 때문입니다. 

 

핀치밸브의 대부분은 일회용으로 설계된 핀치튜브 자체에서 발생합니다. 이는 핀치밸브의 작동 수명이 주로 공압식 엑추에이터 혹은 솔레노이드의 수명에 의해 제한된다는 것을 의미합니다. 핀치 튜브 자체의 수명은 그것이 만들어진 재료에 다라 매우 다양합니다. 예를 들어, 네오프렌 튜브는 수십만 사이클 후에 악화되기 시작할 것이고 대부분의 실리콘 기반 튜브는 수백만 사이클 동안 사용될 수 있습니다. 

 

 

용도에 가장 적합한 밸브를 선택하기 위해서는 설계 요건과 밸브 특성간에 가장 적합한 밸브를 찾아야 합니다. 변수가 너무 많기 때문에 이는 간단한 과정은 아닙니다.

 

▶ 어느 정도의 유량이 필요한가?

▶ 매체의 압력은 어느정도인가?

▶ 특정 공간의 제한은 어느정도인가?

▶ 전력 요구사항은?

▶ 최소 필요 응답시간은?

▶ 사용수명은

▶ 어떤 종류의 매체인가?

▶ 혼합물인가?

▶ 미립자를 포함하는가?

▶ 교차 오염의 위험성을 제거해야 하는가?

 

위와 같은 질문들을 통해 가장 적합한 Isolation Valve를 선택해야 합니다.

 

다음 표는 이러한 유형의 밸브의 몇 가지 다른 특성을 정리한 자료입니다. 올바른 유형의 밸브를 선택하시는데 유용하게 사용될 수 있습니다. 

 

	Rocker Valves	Diaphragm Valves	Pinch Valves
Dead Volume	고	저	0
Internal Volume	중	저	0
Wetted Materials	● PEEK, FKM과 같은 비활성 물질도 가능 ● 밸브 구조상 탄성물질의 씰링이 사용됨	● 전부 PTFE, PEEK의 불활성 물질로 만들어질 수 있음 ● 탄성물질의 씰링 필요없음	● 일회용 튜브 ● 의료용 및 실험용 수준의 실리콘 튜브 사용가능 ● 다양한 재질의 튜브 사용가능
사용 수명	● 백만 싸이클	● 1억 싸이클(탄성) ● 10억 싸이클(비탄성)	● 10억 이상의 싸이클 ● 튜브 교체 필요
매체 내 입자의 영향	● 사용 가능	● 미립자의 경우 사용가능(탄성) ● 사용 불가(비탄성)	● 사용 추천
화학적 호환성	● 낮음	● 높은 화학적 호환성 ● 다이아프램 재질에 따라 다름	● 튜브에 따라 다름
전력 소비	● ~ 2.5 Watts	● 1 ~ 15 Watts	● 높은 전력 소비 ● 2.5 ~ 12Watts ● 공압 작동식 핀치밸브의 경우 < 1Watt(리모트 컨트롤)
가능 매체 압력	● 0 ~ 35 psi	● vacuum ~ 100 psi	● 고압 사용불가 ● 20 ~ 30 psi
반응 속도	● 가장 빠름 1 ~ 20 ms	● 10 ~ 100 ms	● 5 ~ 25 ms

 

 

 

---

 

 

와이에이치인터내셔날은 이제 산업자동화를 넘어 의료장비 및 실험용 장비 산업에 해외 유수의 공압부품들을 저희의 25년 노하우와 함께 소개하고자 합니다. 공압 어플리케이션의 한단계 업그레이드를 고민하고 계시다면 언제든 연락주세요.

 

#Isolation Valve

#Pinch Valve

#격리밸브

#핀치밸브

#솔레노이드밸브

#실험용 밸브

#의료용 밸브

 

제품문의 : YYHYHINT@NAVER.COM

위치 : 서울특별시 금천구 가산디지털 2로 70 대륭테크노타운 19차 1604호

TEL : 02-2628-3960~1

홈페이지: http://YHINT.COM

와이에이치인터내셔날