Электромагнитный генератор ударных волн с рефлектором

 

Изобретение используется в ударно-волновых медицинских установках для лечения почечно- и желчнокаменной болезней. Электромагнитный генератор ударных волн содержит полый цилиндрический индуктор с металлической оболочкой, установленный внутри осесимметричного рефлектора соосно с ним, звукопровод и разрядный контур с емкостным накопителем и управляемым разрядником, в который включена катушка индуктора. Индуктор закреплен внутри рефлектора диэлектрическим фланцем с возможностью соосной установки индуктора и рефлектора. Образующая рабочей поверхности рефлектора в полярной системе координат с центром в точке геометрического фокуса описывается выражением где r - расстояние от фокуса до точки на поверхности рефлектора; d - внешний диаметр индуктора; f - расстояние от фокуса до плоскости выходного отверстия рефлектора; L - высота рефлектора, а угол Θ меняется в пределах arctg(d/(2·f))≅ Θ ≅arctg(D/(2·f)), где D - диаметр выходного отверстия рефлектора. Использование диэлектрического фланца и образующей рабочей поверхности рефлектора по предлагаемому выражению повышает надежность и долговечность устройства. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области медицинской техники и может найти применение в устройствах для неинвазивного разрушения почечных и желчных камней.

Известны электромагнитные генераторы ударных волн, содержащие плоский индуктор с металлической мембраной, включенный в разрядный контур, состоящий из последовательно включенных емкостного накопителя, управляемого разрядника и катушки индуктора, акустическую фокусирующую линзу и звукопровод [1].

Недостатком этих устройств является невысокий КПД, обусловленный, в частности, довольно большим поглощением в линзе и отражениями от граничных поверхностей линзы.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электромагнитный генератор ударных волн с рефлектором, содержащий полый цилиндрический индуктор с катушкой и металлической оболочкой, соосно установленный внутри осесимметричного рефлектора, и разрядный контур, соединенный с катушкой индуктора [2].

В этом устройстве потери при передаче звукового импульса от индуктора в фокальную зону рефлектора значительно ниже, чем в генераторе ударных волн с акустической линзой. Однако имеются ограничения по эффективности преобразования электрической энергии в энергию ударно-волнового акустического импульса, обусловленные электрической прочностью изолирующего зазора между катушкой индуктора и металлической оболочкой. Стремление повысить эффективность преобразования за счет уменьшения этого зазора приводит к снижению надежности и долговечности устройства. В известном устройстве катушка намотана на диэлектрическом каркасе, который уплотняется в металлическом основании. Это позволяет исключить электрический контакт металлической оболочки с рефлектором. Однако при этом приходится вводить в конструкцию сложную систему вакуумного уплотнения торцевых частей металлической оболочки. В конечном счете это приводит к снижению надежности и долговечности устройства.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении надежности и долговечности устройства.

Технический результат достигается тем, что в электромагнитном генераторе ударных волн с рефлектором, содержащем полый цилиндрический индуктор с катушкой и металлической оболочкой, соосно установленный внутри осесимметричного рефлектора, и разрядный контур, соединенный с катушкой индуктора, отличающийся тем, что индуктор закреплен в рефлекторе посредством диэлектрического фланца с возможностью совмещения их осей, разрядный контур содержит емкостный накопитель, подключенный одним из выводов к катушке индуктора, вторым - к управляемому разряднику, при этом образующая рабочей поверхности рефлектора описывается выражением в полярной системе координат с центром в точке геометрического фокуса, где r - расстояние от фокуса до точки на поверхности рефлектора; d - внешний диаметр индуктора; f -расстояние от фокуса до плоскости выходного отверстия рефлектора; L - высота рефлектора; Θ - угол,

D - диаметр выходного отверстия рефлектора.

Предлагается также цилиндрический индуктор выполнить с отношением длины к диаметру, определяемым по выражению

где

корень системы уравнений

Предлагается также в разрядный контур дополнительно включить понижающий импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с катушкой индуктора, а первичная одним выводом соединена с разрядником, а вторым - с емкостным накопителем, с возможностью образования ими разрядного контура.

Предлагается также подключить дополнительные емкостные накопители параллельно основному накопителю посредством низкоиндуктивных контактных выключателей.

Предлагается также металлическую оболочку индуктора подключить к концу спиральной катушки индуктора и к одному выводу емкостного накопителя.

Конструкция устройства иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана конструктивная схема электромагнитного генератора ударных волн с рефлектором, на которой приведены все существенные элементы по п. 1 формулы изобретения; на фиг. 2 показана электрическая схема разрядного контура индуктора; на фиг. 3 показана электрическая схема разрядного контура индуктора, содержащая импульсный понижающий трансформатор и дополнительные емкостные накопители; на фиг. 4 - зависимость соотношения размеров индуктора от апертуры рефлектора в диапазоне углов 30 - 65^o; на фиг. 5 - схема включения индуктора в разрядный контур в случае соединения металлической оболочки с одним концом катушки.

Устройство содержит (фиг. 1) полый цилиндрический индуктор 1, состоящий из цилиндрической спиральной катушки 2, обратного токопровода 3 и металлической оболочки 4, отделенной от катушки индуктора изоляционным слоем. Индуктор закреплен с возможностью соосной установки в диэлектрическом фланце 5, который устанавливается на рефлекторе 6. Обратный токопровод подключен к одному из выводов емкостного накопителя 7, второй вывод которого подключен к одному электроду разрядника 8, а к другому его электроду подключен вывод спиральной катушки индуктора.

На эквивалентной электрической схеме разрядного контура индуктора (фиг. 2) величина емкости емкостного накопителя обозначена C_o, индуктивность катушки индуктора, экранированной металлической оболочкой, - L_i, а паразитная индуктивность контура, включающая индуктивность токоподводов, индуктивность разрядника и индуктивность конденсатора, - L_s.

На эквивалентной электрической схеме с импульсным понижающим трансформатором (фиг. 3) дополнительно к обозначениям фиг. 2 показаны индуктивность первичной обмотки трансформатора L₁, индуктивность вторичной обмотки трансформатора L₂, дополнительные емкостные накопители C₁, C₂ и C₃.

Устройство работает следующим образом.

Конденсатор 7, заряженный до напряжения U, при подаче запускающего импульса на разрядник 8, разряжается через катушку 2 индуктора 1. Импульс тока через катушку индуктора возбуждает в металлической оболочке 4 вихревой ток. Силовое взаимодействие токов в катушке индуктора с токами в металлической мембране вызывает ударное ускорение металлической оболочки. Движущаяся металлическая оболочка возбуждает в окружающей жидкости расходящийся цилиндрический ударно-волновой импульс, который при отражении от поверхности рефлектора 6 фокусируется в его фокальной зоне F. Фокусирование расходящегося цилиндрического ударно-волнового импульса обеспечивается выбором формы поверхности рефлектора в виде поверхности тела вращения, образующая которого в полярной системе координат с центром в фокусе F описывается выражением

где r - расстояние от фокуса до точки поверхности рефлектора;
d - внешний диаметр индуктора;
f - расстояние от фокуса до плоскости выходного отверстия рефлектора;
L - высота рефлектора, а угол Θ меняется в пределах

где D - диаметр выходного отверстия рефлектора.

Для рефлектора с заданной апертурой выходного отверстия существует оптимальное соотношение размеров индуктора (отношение длины индуктора к его диаметру). Это следует из выражения для электромагнитной силы, ускоряющей металлическую оболочку и геометрических соотношений для лучей, идущих от внутреннего конца индуктора, отражающихся от поверхности рефлектора и попадающих в фокус при условии, что индуктор не затеняет этих лучей. Так как электромагнитная сила монотонно увеличивается с увеличением произведения L · d, геометрические соотношения показывают, что при максимальной глубине рефлектора, соответствующей рефлектору без внутреннего отверстия, d стремится к нулю, и аналогично при стремлении диаметра индуктора к максимальному диаметру, равному диаметру выходного отверстия рефлектора, длина индуктора стремится к нулю, то максимального значения произведение L · d достигает при каких-либо промежуточных углах. Эти углы можно найти из условия равенства нулю производной Выражение для L · d имеет следующий вид

где

Легко найти производную и, приравняв ее нулю, получаем уравнения, которым удовлетворяет угол Θ для максимального значения L · d

Эти уравнения легко решаются численно для конкретных значений геометрических параметров рефлектора и для полученных оптимальных значений ϕ оптимальное соотношение размеров индуктора L/d находится из выражения

Для углов A в диапазоне от 30 до 65^o выражение для L/d в зависимости от A с хорошей точностью можно аппроксимировать квадратным полиномом

Закрепление индуктора в диэлектрическом фланце позволяет реализовать режим работы, когда металлическая оболочка не заземлена и ее емкость относительно Земли значительно меньше емкости относительно катушки. В этом случае для обеспечения электрической прочности зазора между оболочкой и катушкой должно выполняться соотношение U < 2 · E_b · h, где E_b - напряженность поля пробоя изоляционного промежутка между оболочкой и катушкой, h - толщина промежутка, а не U < E_b · h, когда оболочка заземлена. Т.е. в случае незаземленной оболочки характеристики генератора по надежности и КПД примерно в два раза выше, чем в случае заземленной. Еще более высокие результаты достигаются, когда оболочка разрезана на отдельные цилиндрические кольца, каждый из которых закрывает 2-3 витка катушки индуктора.

Включение понижающего трансформатора в разрядный контур индуктора позволяет снизить разрядный ток через разрядник и повысить рабочее напряжение, что обеспечивает более высокую стабильность срабатывания разрядника и значительно повышает его ресурс. Кроме того, при одинаковом энергозапасе в контуре требуется емкость меньшей величины, чем в контуре без трансформатора. Снижение разрядного тока и уменьшение емкости позволяют реализовать генератор с изменяемой в процессе работы длительностью импульса, что достигается введением в разрядный контур дополнительных емкостных накопителей, подключаемых с помощью контактных выключателей.

При соединении оболочки 4 и катушки 2 и их последовательном включении в разрядный контур (фиг. 5) удаляется в некоторой степени снизить индуктивность индуктора и тем самым увеличить разрядный ток в индукторе, что также приводит к повышению эффективности устройства.

Ультразвуковой датчик, размещенный в полости индуктора с возможностью соосного перемещения, позволяет обеспечить достаточно простое и точное нанесение фокуса генератора на камень.

Таким образом, предлагаемое устройство по ряду технических показателей превосходит известные устройства аналогичного назначения.

Источники информации
1. Патент ФРГ N 3703335, кл. A 61 B 17/22, 1988.

2. Патент США N 5058569, кл. A 61 B 17/22, 1991.

Формула изобретения

1. Электромагнитный генератор ударных волн с рефлектором, содержащий полый цилиндрический индуктор с катушкой и металлической оболочкой, соосно установленный внутри осесимметричного рефлектора, и разрядный контур, соединенный с катушкой индуктора, отличающийся тем, что индуктор закреплен в рефлекторе посредством диэлектрического фланца с возможностью совмещения их осей, разрядный контур содержит емкостный накопитель, подключенный одним из выводов к катушке индуктора, вторым - к управляющему разряднику, при этом образующая рабочей поверхности рефлектора описывается выражением

в полярной системе координат с центром в точке геометрического фокуса,
где r - расстояние от фокуса до точки на поверхности рефлектора;
d - внешний диаметр индуктора;
f - расстояние от фокуса до плоскости выходного отверстия рефлектора;
L - высота рефлектора;
Θ - угол,

D - диаметр выходного отверстия рефлектора.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический индуктор выполнен с отношением длины к диаметру, определяемым по выражению

где
корень системы уравнений

3. Генератор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в разрядном контуре дополнительно включен понижающий импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с катушкой индуктора, а первичная одним выводом соединена с разрядником, а вторым - с емкостным накопителем с возможностью образования ими разрядного контура.

4. Генератор по п. 3, отличающийся тем, что дополнительные емкостные накопители подключены параллельно емкостному накопителю посредством низкоиндуктивных контактных выключателей.

5. Генератор по пп.1 - 4, отличающийся тем, что металлическая оболочка индуктора подключена к концу спиральной катушки индуктора и к одному выводу емкостного накопителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5