ГЕНЕРАТОР УДАРНЫХ ВОЛН Российский патент 1995 года по МПК B06B1/04 

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии в энергию импульсов, в частности ударных волн, и может найти применение в биологии, медицине, океанологии, сейсморазведке и т.д.

Известны генераторы ударных волн на основе электрического разряда в жидкости, в которых для фокусирования ударной волны используют эллиптический рефлектор [1].

Недостатками таких устройств являются необходимость прокачки жидкости для обеспечения ее низкой электропроводности, сильное снижение коэффициента усиления волнового фронта при небольших смещениях электродов из фокуса рефлектора и увеличения зазора между ними из-за эрозии электродов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является генератор ударных волн, содержащий плоскую спиральную катушку, неподвижно закрепленную в изоляционном корпусе, плоскую металлическую мембрану, расположенную с зазором относительно спиральной катушки, конденсатор и управляемый разрядник, первые электроды которых соединены между собой через общий токоведущий элемент, а вторые электроды подключены к концам катушки через токоведущие элементы [2].

Недостатками этого устройства являются невозможность выполнения противоречивого требования увеличения амплитуды ударной волны при одновременном уменьшении длительности импульса, что необходимо, например, при использовании генератора в литотрипторе, а также недостаточно высокая надежность генератора, так как для получения большой амплитуды ударной волны, требуемой для литотрипсии, необходимы высокие рабочие напряжения.

Целью изобретения являются повышение амплитуды генерируемой ударной волны при одновременном уменьшении ее длительности, а также увеличение долговечности генератора за счет снижения рабочего напряжения.

Данная цель достигается тем, что в устройство введены n-1 дополнительных конденсаторов и n-1 дополнительных токоведущих элементов, а плоская спиральная катушка выполнена в виде не менее чем двух компланарных спиралей, внутренние концы которых соединены между собой и подключены через токоведущий элемент к второму электроду разрядника, внешние концы спиралей расположены эквидистантно по окружности на расстоянии π D/n друг от друга, где D - диаметр спиральной катушки, n - число компланарных спиралей, причем первые выводы дополнительных конденсаторов подключены к общему токоведущему элементу, а вторые электроды всех n конденсаторов подключены к соответствующим внешним концам компланарных спиралей через токоведущие элементы.

Предлагается также выполнить спиральную катушку из металлического диска, в котором выполнены сквозные пазы, вдоль линий, описывающих спираль Архимеда в соответствии с формулами R_i= a_o+ + A_o+ ia_o+ , где ϕ - угол, рад; а_о - толщина спирали; h - толщина паза; i =1...n; 0 ≅А_о≅а_о.

Предлагается также выполнить токоведущий элемент, подключенный между внутренними концами спиралей и разрядником, в виде полого тела с двумя плоскими основаниями и плоскими боковыми гранями, число которых равно числу спиралей, причем одно основание полого тела механически связано с внутренними концами спиралей, а другое основание соединено с вторым электродом разрядника. Токоведущие элементы, соединенные с внешними концами спиралей, предлагается при этом выполнить в виде прямоугольных металлических скоб, средний участок каждой из которых параллелен соответствующей боковой грани полого тела, а два боковые расположены в плоскостях его основания. Кроме того, общий токоведущий элемент предлагается выполнить в виде электрода с плоской поверхностью и разместить параллельно основаниям полого тела. Поверхности общего токоведущего элемента, скоб и полого тела образуют полосковую линию.

Предлагается также выполнить мембрану в виде алюминиевого листа толщиной, равной толщине скин-слоя.

На фиг.1 показана электрическая схема генератора для случая, когда катушка состоит из двух компланарных спиралей; на фиг.2 - генератор с двухспиральной катушкой; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - генератор с шестиспиральной катушкой; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.4.

Генератор ударных волн состоит из неподвижно закрепленной плоской спиральной катушки 1, выполненной в виде не менее, чем двух компланарных спиралей 2, 3. Внутренние концы спиралей 2, 3 соединены и подключены через токоведущий элемент к второму электроду управляемого разрядника 4, а внешние концы через токоведущие элементы к вторым выводам конденсаторов 5, 6, первые выводы которых подключены к первому электроду разрядника 4 (фиг.1). Заряд конденсаторов осуществляется через резистор 7. Разрядник 4 установлен либо на одной стороне отрезка металлической прямоугольной трубы 8 (при двух спиралях) (фиг. 2), либо на основании призмы 9 с числом боковых граней, равным числу спиралей (при количестве спиралей большем двух (фиг.3)). Вторая сторона отрезка трубы 8 и второе основание призмы 9 механически связано с внутренними концами спиралей. На внешних концах спиралей установлены П-образные металлические скобы 10. Плоский электрод 11 образует со скобами 10, отрезком прямоугольной трубы 8 или призмой 9 полосковые линии, к которым подключаются конденсаторы 5, 6. Перед спиральной катушкой 1 установлена плоская мембрана 12, отделенная от спирали слоем изоляции 13. Для фокусирования плоской ударной волны, создаваемой мембраной, используется линза 4, выполненная из оргстекла.

Устройство работает следующим образом.

Конденсаторы 5, 6 заряжаются от источника постоянного напряжения . При подаче на разрядник запускающего импульса он пробивается и конденсаторы одновременно разряжаются через спиральные катушки 2, 3. Ток, протекающий по плоским спиралям, создает переменное радиальное магнитное поле, которое индуцирует в мембране вихревые токи, направление которых противоположно направлению тока в спиралях. Взаимодействие вихревых токов с токами в спиральных катушках приводит к ускорению мембраны. Мембрана воздействует на соприкасающуюся с ней жидкую среду, как поршень, и формирует в жидкости импульс давления, который распространяется по жидкости в виде плоской волны. Линза 14 обеспечивает фокусирование плоской волны. Для лучшего согласования линзы со средой целесообразно одну поверхность линзы выполнить плоской, а другую - в виде эллиптической поверхности.

Выполнение спиральной катушки в виде нескольких компланарных спиралей позволяет уменьшить индуктивность каждой спирали и, следовательно, увеличить ток через спираль, так как амплитуда тока в каждой спирали определяется выражением I = U/ . Кроме того, уменьшается длительность импульса разрядного тока, так как τ ~ . Если сравнивать односпиральный и многоспиральный индукторы, имеющие одинаковый энергозапас = , то в многоспиральном индуктивность меньше в n раз, и емкость, подключенная к каждой спирали, меньше в n раз. В результате длительность импульса уменьшается в n раз. В другом варианте можно к каждой спирали подключать емкости такие же, как и в односпиральном индукторе, тогда общая емкость увеличится в n раз, однако длительность импульса будет в раз меньше, так как индуктивность каждой спирали в n раз меньше, а тот же самый энергозапас (а следовательно, и амплитуду ударной волны) можно обеспечить при напряжении в раз меньшем. Снижение рабочего напряжения конденсаторов увеличивает их срок службы, кроме того, упрощаются требования к изоляции между витками спиралей и между витками спиралей и между спиралью и мембраной. Таким образом конструкция предлагаемого генератора ударных волн оказывается более надежной и долговечной.

Для уменьшения паразитной индуктивности разрядного контура и, следовательно, повышения КПД генератора и амплитуды ударной волны предлагается конструкция установочного элемента разрядника в виде призмы или отрезка прямоугольной трубы, которая вместе с П-образными токоподводами к спиральным катушкам образует токоподвод от конденсаторов к спиральным катушкам в виде полосковых линий, обладающих наименьшей индуктивностью.

Для повышения КПД устройства и амплитуды ударной волны необходимо уменьшать массу мембраны и увеличивать ее электропроводность, что достигается выбором материала мембраны (алюминий) и уменьшением толщины мембраны. Однако толщину мембраны нецелесообразно выбирать меньше, чем толщина скин-слоя, так как магнитное поле за время разрядного импульса не должно проникать на противоположную сторону мембраны.

Использование: в медицине, биологии, океанологии и др. Сущность изобретения: в генераторе ударных волн, содержащем неподвижно закрепленную в изоляционном корпусе плоскую спиральную катушку, металлическую мембрану, конденсаторы и управляемый разрядник, плоская спиральная катушка выполнена в виде не менее чем двух компланарных спиралей, внутренние концы которых соединены и подключены через токоведущий элемент к второму электроду разрядника, а внешние концы размещены компланарно по окружности на расстоянии πD/n друг от друга, где D - диаметр спиральной катушки; n - число компланарных спиралей, при этом количество конденсаторов равно числу спиралей, первый электрод каждого конденсатора подключен к первому электроду разрядника, а второй электрод каждого конденсатора подключен к внешнему концу соответствующей спирали. Подключение конденсаторов, разрядника и спиралей осуществляется через токоведущие элементы. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ГЕНЕРАТОР УДАРНЫХ ВОЛН, содержащий плоскую спиральную катушку, неподвижно закрепленную в изоляционном корпусе, плоскую металлическую мембрану, расположенную с зазором относительно спиральной катушки, конденсатор и управляемый разрядник, первые электроды которых соединены между собой через общий токоведущий элемент, а вторые электроды подключены к концам спиральной катушки через токоведущие элементы, отличающийся тем, что в него введены n-1 дополнительных конденсаторов и n - 1 дополнительных токоведущих элементов, а плоская спиральная катушка выполнена в виде не менее чем двух компланарных спиралей, внутренние концы которых соединены между собой и подключены через токоведущий элемент к второму электроду разрядника, внешние концы спиралей расположены эквидистантно по окружности на расстоянии πD/ n друг от друга, где D - диаметр спиральной катушки, n - число компланарных спиралей, причем первые выводы дополнительных конденсаторов подключены к общему токоведущему элементу, а вторые электроды всех n конденсаторов подключены к соответствующим внешним концам компланарных спиралей через токоведущие элементы. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что спиральная катушка изготовлена из металлического диска, в котором выполнены сквозные пазы вдоль линий, описывающих спираль Архимеда в соответствии с формулой

где ϕ - угол, рад.;
Q₀ - толщина спирали;
h - толщина паза;
i = 1, ..., n;
0 < A₀ ≅ Q₀. 3. Генератор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что токоведущий элемент, подключенный между внутренними концами компланарных спиралей и разрядником, выполнен в виде полого тела с двумя плоскими основаниями и плоскими боковыми гранями, число которых равно числу спиралей, одно основание полого тела соединено с внутренними концами спиралей, а второе основание соединено с вторым электродом разрядника, токоведущие элементы, соединенные с внешними концами спиралей, выполнены в виде прямоугольных металлических скоб, средний участок каждой из которых параллелен соответствующей боковой грани полого тела, а два боковых расположены в плоскостях его оснований, общий токоведущий элемент выполнен в виде электрода с плоской поверхностью и размещен параллельно основаниям полого тела, причем поверхности общего токоведущего элемента, скоб и полого тела образуют полосковую линию. 4. Генератор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что мембрана выполнена в виде алюминиевого листа толщиной, равной толщине СКИН-слоя.