Электромагнитный генератор ударных волн

 

Использование: в медицинской технике, а именно в устройствах для разрушения почечных и желчных камней. Сущность: электромагнитный генератор ударных волн, содержащий акустическую фокусирующую линзу из полимерного материала, плоскую металлическую мембрану, плоский индуктор со спиральной катушкой, подключенный к генератору импульсов тока, и изоляционную прокладку между мембраной и индуктором, при этом одна поверхность линзы выполнена плоской и между ней и индуктором установлена мембрана, индуктор снабжен узлом охлаждения в виде сквозного канала внутри спиральной катушки, а узел охлаждения мембраны выполнен в виде полого кольца с плоской поверхностью, которая имеет тепловой контакт с кромкой мембраны, узел охлаждения индуктора может быть также выполнен в виде металлического диска, снабженного спиральным каналом, размещенного под спиральной катушкой и электрически соединенного с ней в центре, при этом один конец генератора импульсов тока подключен к внешней кромке металлического диска напротив вывода спиральной катушки, а витки спиральной катушки имеют П-образный профиль и уложены в спиральном пазу корпуса индуктора, зазор между витками залит компаундом, мембрана также может быть выполнена в виде напыленного на плоскую поверхность линзы металлического покрытия, поверх которого нанесен слой глицерина. Технический результат: повышение КПД устройства. 6 з. п. ф-лы. 2 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к технике преобразования электрической энергии в энергию звуковых импульсов, в частности, ударных волн, и может найти применение в биологии, медицине, например, для разрушения почечных и желчных камней.

Известны излучатели звуковых импульсов, содержащие искровой разрядник, подключенный через управляемый ключ к емкостному накопителю, и рефлектор (Пат. US N 4715376, А 61 В 17/22, 1987).

Недостатком этих устройств является плохая повторяемость параметров звуковых импульсов от разряда к разряду. Кроме того, разрушение электродов искрового разрядника в процессе работы резко ограничивает его ресурс.

Наиболее близким к заявляемому является электромагнитный генератор ударных волн, содержащий акустическую фокусирующую линзу из полимерного материала, плоскую металлическую мембрану, плоский индуктор со спиральной катушкой, подключенной к генератору импульсов тока, и изоляционную прокладку между мембраной и индуктором (Пат. US N 4901709, А 61 В 17/22, 1990).

Это устройство обеспечивает высокую стабильность параметров излучаемых звуковых импульсов. Однако большая длительность импульса и невысокое значение амплитуды давления при умеренной величине зарядного напряжения емкостного накопителя приводят к низкой эффективности разрушающего воздействия на камни при использовании устройства в литотрипсии. С другой стороны при увеличении разрядного напряжения для достижения более высокой амплитуды давления в звуковом импульсе возникают проблемы, связанные с электрической прочностью, надежностью и долговечностью устройства, а также увеличением его стоимости. Кроме того, в известном устройстве между мембраной и линзой имеется зазор, заполненный водой. Это приводит к дополнительным потерям энергии при отражении звукового импульса от поверхности раздела между линзой и водой, а также к снижению надежности устройства из-за возможных протечек воды, приводящих к нарушению электрической прочности.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности устройства, а также повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в электромагнитном генераторе ударных волн, содержащем акустическую фокусирующую линзу из полимерного материала, плоскую металлическую мембрану, плоский индуктор со спиральной катушкой, подключенной к генератору импульсов тока, и изоляционную прокладку между мембранной и индуктором, предлагается одну поверхность акустической фокусирующей линзы выполнить плоской, мембрану разместить на плоской поверхности линзы и прижать к ней индуктором, при этом индуктор и мембрану снабдить узлами охлаждения.

В конкретных формах выполнения предлагаемое устройство характеризуется следующими дополнительными признаками.

Предлагается узел охлаждения индуктора выполнить в виде сквозного канала внутри спиральной катушки.

Предлагается витки спиральной катушки выполнить с П-образным профилем и уложить их в спиральном пазу корпуса индуктора, а зазор между витками заполнить эпоксидным компаундом.

Предлагается узел охлаждения мембраны выполнить в виде полого кольца, плоская поверхность которого имеет тепловой контакт с кромкой мембраны.

Предлагается узел охлаждения индуктора выполнить в виде металлического диска, снабженного спиральным каналом и размещенным вблизи спиральной катушки и электрически соединенным с ней в центре, при этом один конец генератора импульсов тока подключен к внешней кромке металлического диска, напротив вывода спиральной катушки.

Предлагается мембрану выполнить в виде напыленного на плоскую поверхность линзы металлического покрытия.

Предлагается на плоскую поверхность линзы панели нанести слой глицерина.

Положительный эффект в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет непосредственного контакта мембраны с поверхностью линзы, при этом из устройства исключается промежуточный слой воды между мембраной и линзой, который также выполняет функции охлаждения, которые в предлагаемом устройстве обеспечиваются введенными узлами охлаждения мембраны и индуктора. Отметим, что заявляемая совокупности признаков не выявлена в других известных устройствах аналогичного назначения.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана конструкция устройства; на фиг. 2 вариант выполнения охлаждения индуктора с помощью дополнительного диска со спиральным каналов.

Устройство состоит из акустической фокусирующей линзы 1, металлической мембраны 2, плоского индуктора 3, со спиральной катушкой 4, подключенной к генератору импульсов тока 5. Между мембраной и индуктором проложена изоляционная прокладка 6. Мембрана и индуктор снабжены узлами охлаждения 7 и 8. Для мембраны узел охлаждения можно выполнить в виде полого кольца 7, плоская поверхность которого имеет тепловой контакт с кромкой мембраны. Для индуктора предлагаются два варианта выполнения узла охлаждения: на фиг. 1 узел охлаждения выполнен в виде каналов в спиральной катушке предпочтительно с П-образным профилем витка, а на фиг. 2 система охлаждения индуктора выполнена в виде диска 9, снабженного спиральным каналом. Во втором варианте диск соединен в центре с катушкой, а с краю с генератором импульсов тока напротив вывода спиральной катушки. В этом случае диск выполняет одновременно функции токоподвода и узла охлаждения. По каналам узлов охлаждения прокачивается либо охлаждающая жидкость, либо газ.

Генератор импульсов тока в простейшем варианте состоит из разрядника 10, конденсатора 11, токоподводов 12, 13. Прижатие мембраны к поверхности линзы обеспечивается посредством, например, болтового соединения 14.

Устройство работает следующим образом.

Емкостной накопитель 11 заряжается от источника постоянного напряжения (на рисунках не показан). При подаче импульса запуска от блока запуска на разрядник 10, последний пробивается и в цепи, состоящей из катушки 4, металлического диска 9, разрядника 10, емкостного накопителя 11, возбуждается импульс тока с амплитудным значением I который создает вблизи поверхности мембраны магнитное поле с амплитудой Н. Импульс магнитного давления (H^2/8π)×Δ t ускоряет мембрану, которая возбуждает в линзе звуковой импульс. Этот импульс может быть сфокусирован линзой 1 в фокальной зоне малых размеров.

Амплитуда звукового импульса пропорциональна I^2, а амплитуда тока определяется из выражения I U/(L/C)^0,5, где U зарядное напряжение, L индуктивность разрядной цепи, С емкость. Таким образом, уменьшая индуктивность можно увеличить амплитуду давления звукового импульса. Из выражения L·I∧2/2= ∫ (H∧2/8π)·dV, где V объем, занимаемый магнитным полем индуктора, видно, что для уменьшения индуктивности цепи следует уменьшать объем, занимаемый магнитным полем. Это достигается введением в устройство металлического диска 9. При толщине диска, превышающей толщину скин-слоя магнитное поле не проникает во внешнее пространство и сосредоточено в зазорах между мембраной и катушкой и металлическим экраном и катушкой. Эти зазоры можно сделать минимальными, их толщина ограничивается величиной напряжения пробоя. Топология линий тока в металлическом экране из-за эффекта "близости" совпадает с топологией линий тока в спиральной катушки (в первом приближении), поэтому в заявляемом устройстве исключается неравномерность распределения давления, обусловленная несимметрией токоподвода, присущая известным электромагнитным источникам звуковых импульсов.

В известных устройствах увеличение амплитуды давления осуществляется увеличением величины зарядного напряжения. Однако при этом возникают проблемы обеспечения электрической прочности устройства. Надежность устройства снижается с увеличением величины зарядного напряжения. Это также относится и к долговечности. В предлагаемом устройстве те же давления достигаются при более низком зарядном напряжении, чем в известных устройствах, поэтому оно обладает более высокой надежностью и долговечностью. Кроме того уменьшение индуктивности спирального индуктора приводит к укорочению длительности импульса давления, а это обеспечивает разрушение камней на более мелкие фрагменты, т. е. повышает эффективность разрушающего воздействия.

Поскольку в предлагаемом устройстве мембрана непосредственно контактирует с поверхностью линзы, то исключаются потери, связанные с отражением волны от границы раздела между поверхностью линзы и жидкостным слоем над мембраной, т. к. этот слой исключен. В процессе работы в частотном режиме, который используется в медицинской практике, происходит нагрев мембраны в изоляционной прокладки, что может привести к пробою. Поэтому мембрана и индуктор снабжены узлами охлаждения, которые обеспечивают нормальный температурный режим устройства.

Мембрана должна иметь хороший механический контакт с поверхностью линзы. Это обеспечивается прижатием мембраны индуктором. Возможен также вариант выполнения мембраны в виде напыленного на поверхность линзы металлического покрытия, например, детонационным или вакуумным напылением. Дальнейшее наращивание слоя металла при необходимости может быть обеспечено электрохимическим осаждением.

Хороший акустический контакт между мембраной и плоской поверхностью линзы обеспечивается слоем глицерина, наносимого на поверхность линзы. После прижатия индуктором мембраны лишний глицерин вытесняется в зазор, а оставшееся количество заполняет все микрошероховатости на плоской поверхности линзы и обеспечивает однородное возбуждение звукового импульса при ударе мембраны по поверхности линзы.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНЫХ ВОЛН, содержащий акустическую фокусирующую линзу из полимерного материала, плоскую металлическую мембрану, плоский индуктор со спиральной катушкой, подключенной к генератору импульсов тока, и изоляционную прокладку между мембраной и индуктором, отличающийся тем, что одна поверхность акустической линзы выполнена плоской, мембрана размещена на плоской поверхности линзы и прижата к ней индуктором, при этом индуктор и мембрана снабжены узлами охлаждения.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что узел охлаждения индуктора выполнен в виде сквозного канала внутри спиральной катушки.

3. Генератор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что витки спиральной катушки выполнены с П-образным профилем и уложены в спиральном пазу корпуса индуктора, а зазор между витками залит эпоксидным компаундом.

4. Генератор по пп.1 3, отличающийся тем, что узел охлаждения мембраны выполнен в виде полого кольца с плоской поверхностью, которая имеет тепловой контакт с кромкой мембраны.

5. Генератор по пп.3 и 4, отличающийся тем, что узел охлаждения индуктора выполнен в виде металлического диска, снабженного спиральным каналом, размещенного под спиральной катушкой и электрически соединенного с ней в центре, при этом один конец генератора импульсов тока подключен к внешней кромке металлического диска напротив вывода спиральной катушки.

6. Генератор по пп.1 5, отличающийся тем, что мембрана выполнена в виде напыленного на плоскую поверхность линзы металлического покрытия.

7. Генератор по пп. 1 5, отличающийся тем, что на плоскую поверхность линзы нанесен слой глицерина.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2