低噪声无水冷却钻头

◆上海市青浦高级中学 沈翊凡

装修噪声扰民是一个令人头疼却难以有效解决的问题。据了解，装修噪声中，最令人难以忍受的是冲击钻开孔作业时的锤击噪声。在本市，很多公寓进入翻新装修的高峰期，由此引发的噪声扰民问题与邻里矛盾层出不穷。

科学降低冲击钻作业噪声，具有较好的社会效益。

一、现有低噪声开孔技术的局限性

水钻全称水开孔钻，它利用磨削的方式打孔，噪声小，传播距离有限。如果推广使用水钻，装修开孔产生的噪声问题应该能得到缓解。然而，水钻的使用存在以下两个方面的局限性。

（一）施工不便

水钻依靠磨削加工，工作时产生的热量多，必须用流水冷却钻头，但一般待装修房屋除了厨房、卫生间之外，其他地方并没有流动水源。此外，冷却水钻产生的污水如处理不当，会导致作业现场满是污水。

（二）有触电隐患

房屋装修开孔时，如不小心钻到墙体内的电线，则可能导致施工人员触电。冲击钻机身一般用塑料壳绝缘，施工人员使用时即使钻到电线也不会触电,而使用水钻时一旦钻到电线，很可能通过流水导致触电。

本文基于以上问题，提出了一种新型低噪声无水冷却钻头的设计。

二、相变蓄热技术

蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，在太阳能利用、电能“移峰填谷”、废热和余热的回收利用等领域具有广泛的应用前景。

目前，主要的蓄热方法有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种。其中，潜热蓄热（相变蓄热）是利用物质在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理来储存能量。物体的温度与其吸收的热能关系如图1所示。

图1 潜热蓄热技术温度与吸收热量的关系

潜热蓄热具有单位质量(体积)蓄热量大、温度波动小(储、放热过程近似等温)、化学稳定性好和安全性好等特点。常见的相变过程主要有固-液相变、固-固相变两种类型。但其储热介质一般存在过冷、相分离、易老化等缺点。

三、利用蓄热材料设计无水冷却钻头

无水冷却水钻钻头结构示意图如图2。其刀头、刀筒、刀柄与普通水钻钻头无异，在刀筒内设置蓄热降温腔体、水冷腔体、硅橡胶隔板、可移动隔板、水孔。

图2 无水冷却水钻钻头结构示意图

蓄热降温腔体与水冷腔体之间用硅橡胶隔板隔开，蓄热降温腔体设于刀筒内部靠近尾部一侧，内部是沥青蓄热介质。沥青蓄热介质由沥青、阻燃剂和导热金属丝组成。水冷腔体内部为海绵填充结构。用蓄热材料代替流水为钻头降温，解决流水降温的不便与安全隐患。

利用蓄热技术，对发热的钻头进行降温。沥青在100 ℃～200 ℃范围内具备高比热容，可将其封装在钻头内部，开孔作业时吸收热量，在一定的工作时段内将发热温度控制在材料退火温度之下。

当钻头温度达到蓄热材料的相变温度时，蓄热材料由固态熔化为液态，吸收大量的热量，将钻头温度控制在限制值之内。

两个钻头可交替使用，一个钻头完全发热后，将其拆下进行冷却，安装另一个已经冷却的钻头。当另一个完全发热后，前一个已冷却到较低温度，蓄热材料重新变为固态，等待下一次吸热熔化。

对于部分开孔难度较大的场合，可在钻孔的同时挤压墙体，将可移动隔板向后移动，挤出海绵中的水分，进行辅助降温。与沥青蓄热介质配合，可进一步提升钻头温升的控制效果。

四、实验测试

根据上文的分析结果，比较同一种型号的钻头与冲击钻头在不加水、加水与利用本技术方案三种模式，在同样的墙体上钻同种规格的孔洞后的温升。测试结果如表1所示。测试的环境温度为20 ℃。

表1 不同钻孔方案效果对比

测试结果表明，水钻与冲击钻相比，能耗与噪声显著降低，尤其是因振动减少，相邻楼层的噪声明显减弱。水钻不加水工作，钻头温升极高，影响钻头硬度，缩短其使用寿命。采用水钻蓄热降温方案后，其工作效果与加水降温相当，但避免了水钻加水的麻烦，以及钻孔过程中的安全隐患。

五、结论

本文针对冲击钻头在使用时噪声大、水钻钻头不加水无法工作的问题，设计了新型无水冷却钻头，增加了水钻开孔技术的应用范围，提升了建筑物开孔作业的效率，降低了开孔作业的能耗。

本方案依旧保留水钻的磨削作业方式，没有冲击钻的锤击过程，因此施工噪声可降低80%以上。且由于没有锤击操作，不会引起墙体振动，缩短了作业噪声的传播距离，解决了冲击钻头时噪声巨大而引发的扰民问题，为减少墙体钻孔产生的噪声污染提供了全新的解决途径。