低噪聲無水冷卻鉆頭

◆上海市青浦高級中學 沈翊凡

裝修噪聲擾民是一個令人頭疼卻難以有效解決的問題。據了解，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。

科學降低沖擊鉆作業(yè)噪聲，具有較好的社會效益。

一、現有低噪聲開孔技術的局限性

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，裝修開孔產生的噪聲問題應該能得到緩解。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，冷卻水鉆產生的污水如處理不當，會導致作業(yè)現場滿是污水。

（二）有觸電隱患

房屋裝修開孔時，如不小心鉆到墻體內的電線，則可能導致施工人員觸電。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計。

二、相變蓄熱技術

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

目前，主要的蓄熱方法有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學反應蓄熱三種。其中，潛熱蓄熱（相變蓄熱）是利用物質在凝固/熔化、凝結/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系如圖1所示。

圖1 潛熱蓄熱技術溫度與吸收熱量的關系

潛熱蓄熱具有單位質量(體積)蓄熱量大、溫度波動小(儲、放熱過程近似等溫)、化學穩(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。但其儲熱介質一般存在過冷、相分離、易老化等缺點。

三、利用蓄熱材料設計無水冷卻鉆頭

無水冷卻水鉆鉆頭結構示意圖如圖2。其刀頭、刀筒、刀柄與普通水鉆鉆頭無異，在刀筒內設置蓄熱降溫腔體、水冷腔體、硅橡膠隔板、可移動隔板、水孔。

圖2 無水冷卻水鉆鉆頭結構示意圖

蓄熱降溫腔體與水冷腔體之間用硅橡膠隔板隔開，蓄熱降溫腔體設于刀筒內部靠近尾部一側，內部是瀝青蓄熱介質。瀝青蓄熱介質由瀝青、阻燃劑和導熱金屬絲組成。水冷腔體內部為海綿填充結構。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，對發(fā)熱的鉆頭進行降溫。瀝青在100 ℃～200 ℃范圍內具備高比熱容，可將其封裝在鉆頭內部，開孔作業(yè)時吸收熱量，在一定的工作時段內將發(fā)熱溫度控制在材料退火溫度之下。

當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。

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，安裝另一個已經冷卻的鉆頭。當另一個完全發(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。與瀝青蓄熱介質配合，可進一步提升鉆頭溫升的控制效果。

四、實驗測試

根據上文的分析結果，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。測試結果如表1所示。測試的環(huán)境溫度為20 ℃。

表1 不同鉆孔方案效果對比

測試結果表明，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，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，設計了新型無水冷卻鉆頭，增加了水鉆開孔技術的應用范圍，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，為減少墻體鉆孔產生的噪聲污染提供了全新的解決途徑。