低噪聲無水冷卻鉆頭

譚迪熬 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

裝修噪聲擾民是一個令人頭疼卻難以有效解決的問題。據(jù)了解，裝修噪聲中，最令人難以忍受的是沖擊鉆開孔作業(yè)時的錘擊噪聲。在本市，很多公寓進入翻新裝修的高峰期，由此引發(fā)的噪聲擾民問題與鄰里矛盾層出不窮。

科學(xué)降低沖擊鉆作業(yè)噪聲，具有較好的社會效益。

一、現(xiàn)有低噪聲開孔技術(shù)的局限性

水鉆全稱水開孔鉆，它利用磨削的方式打孔，噪聲小，傳播距離有限。如果推廣使用水鉆，裝修開孔產(chǎn)生的噪聲問題應(yīng)該能得到緩解。然而，水鉆的使用存在以下兩個方面的局限性。

（一）施工不便

水鉆依靠磨削加工，工作時產(chǎn)生的熱量多，必須用流水冷卻鉆頭，但一般待裝修房屋除了廚房、衛(wèi)生間之外，其他地方并沒有流動水源。此外，冷卻水鉆產(chǎn)生的污水如處理不當(dāng)，會導(dǎo)致作業(yè)現(xiàn)場滿是污水。

（二）有觸電隱患

房屋裝修開孔時，如不小心鉆到墻體內(nèi)的電線，則可能導(dǎo)致施工人員觸電。沖擊鉆機身一般用塑料殼絕緣，施工人員使用時即使鉆到電線也不會觸電，而使用水鉆時一旦鉆到電線，很可能通過流水導(dǎo)致觸電。

本文基于以上問題，提出了一種新型低噪聲無水冷卻鉆頭的設(shè)計。

二、相變蓄熱技術(shù)

蓄熱技術(shù)是提高能源利用效率和保護環(huán)境的重要技術(shù)，在太陽能利用、電能“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，主要的蓄熱方法有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱三種。其中，潛熱蓄熱（相變蓄熱）是利用物質(zhì)在凝固/熔化、凝結(jié)/氣化、凝華/升華以及其他形式的相變過程中，都要吸收或放出相變潛熱的原理來儲存能量。物體的溫度與其吸收的熱能關(guān)系如圖1所示。

潛熱蓄熱具有單位質(zhì)量（體積）蓄熱量大、溫度波動小（儲、放熱過程近似等溫）、化學(xué)穩(wěn)定性好和安全性好等特點。常見的相變過程主要有固-液相變、固-固相變兩種類型。但其儲熱介質(zhì)一般存在過冷、相分離、易老化等缺點。

三、利用蓄熱材料設(shè)計無水冷卻鉆頭

無水冷卻水鉆鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。其刀頭、刀筒、刀柄與普通水鉆鉆頭無異，在刀筒內(nèi)設(shè)置蓄熱降溫腔體、水冷腔體、硅橡膠隔板、可移動隔板、水孔。

蓄熱降溫腔體與水冷腔體之間用硅橡膠隔板隔開，蓄熱降溫腔體設(shè)于刀筒內(nèi)部靠近尾部一側(cè)，內(nèi)部是瀝青蓄熱介質(zhì)。瀝青蓄熱介質(zhì)由瀝青、阻燃劑和導(dǎo)熱金屬絲組成。水冷腔體內(nèi)部為海綿填充結(jié)構(gòu)。用蓄熱材料代替流水為鉆頭降溫，解決流水降溫的不便與安全隱患。

利用蓄熱技術(shù)，對發(fā)熱的鉆頭進行降溫。瀝青在100 ℃～200 ℃范圍內(nèi)具備高比熱容，可將其封裝在鉆頭內(nèi)部，開孔作業(yè)時吸收熱量，在一定的工作時段內(nèi)將發(fā)熱溫度控制在材料退火溫度之下。

當(dāng)鉆頭溫度達到蓄熱材料的相變溫度時，蓄熱材料由固態(tài)熔化為液態(tài)，吸收大量的熱量，將鉆頭溫度控制在限制值之內(nèi)。

兩個鉆頭可交替使用，一個鉆頭完全發(fā)熱后，將其拆下進行冷卻，安裝另一個已經(jīng)冷卻的鉆頭。當(dāng)另一個完全發(fā)熱后，前一個已冷卻到較低溫度，蓄熱材料重新變?yōu)楣虘B(tài)，等待下一次吸熱熔化。

對于部分開孔難度較大的場合，可在鉆孔的同時擠壓墻體，將可移動隔板向后移動，擠出海綿中的水分，進行輔助降溫。與瀝青蓄熱介質(zhì)配合，可進一步提升鉆頭溫升的控制效果。

四、實驗測試

根據(jù)上文的分析結(jié)果，比較同一種型號的鉆頭與沖擊鉆頭在不加水、加水與利用本技術(shù)方案三種模式，在同樣的墻體上鉆同種規(guī)格的孔洞后的溫升。測試結(jié)果如表1所示。測試的環(huán)境溫度為20 ℃。

測試結(jié)果表明，水鉆與沖擊鉆相比，能耗與噪聲顯著降低，尤其是因振動減少，相鄰樓層的噪聲明顯減弱。水鉆不加水工作，鉆頭溫升極高，影響鉆頭硬度，縮短其使用壽命。采用水鉆蓄熱降溫方案后，其工作效果與加水降溫相當(dāng)，但避免了水鉆加水的麻煩，以及鉆孔過程中的安全隱患。

五、結(jié)論

本文針對沖擊鉆頭在使用時噪聲大、水鉆鉆頭不加水無法工作的問題，設(shè)計了新型無水冷卻鉆頭，增加了水鉆開孔技術(shù)的應(yīng)用范圍，提升了建筑物開孔作業(yè)的效率，降低了開孔作業(yè)的能耗。

本方案依舊保留水鉆的磨削作業(yè)方式，沒有沖擊鉆的錘擊過程，因此施工噪聲可降低80%以上。且由于沒有錘擊操作，不會引起墻體振動，縮短了作業(yè)噪聲的傳播距離，解決了沖擊鉆頭時噪聲巨大而引發(fā)的擾民問題，為減少墻體鉆孔產(chǎn)生的噪聲污染提供了全新的解決途徑。

專家點評

上海市青浦高級中學(xué)沈翊凡同學(xué)設(shè)計的基于相變蓄熱技術(shù)的低噪聲墻體開孔無水冷卻鉆頭，是一個運用新技術(shù)解決問題的發(fā)明。

它的出現(xiàn)充分體現(xiàn)了發(fā)明人強烈的創(chuàng)新熱情。裝修噪聲擾民的問題很常見，哪種噪聲最讓人難以忍受？經(jīng)多方觀察與考證，沈翊凡同學(xué)發(fā)現(xiàn)最難忍受的是沖擊鉆開孔作業(yè)時的錘擊噪聲。正是基于高于常人的創(chuàng)新熱情，他決定利用科學(xué)手段，對降低沖擊鉆作業(yè)噪聲進行突破。

該作品還充分體現(xiàn)了發(fā)明人強烈的創(chuàng)新追求。怎樣利用科學(xué)手段降低沖擊鉆作業(yè)時產(chǎn)生的噪聲？對于高中生來說，談何容易。從他介紹的研究過程可以看出，正是他將創(chuàng)新作為自身成長的一種美好追求，才能努力學(xué)習(xí)課本之外的新知識——相變蓄熱技術(shù)，并應(yīng)用蓄熱技術(shù)等，成功完成了這項發(fā)明。

建議在文本中公開有關(guān)作品現(xiàn)場試驗的原始照片與原始記錄等，使文本更完整。