低噪声无水冷却钻头

谭迪熬 中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。

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。

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。

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、實验测试

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 ℃。

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。

专家点评

上海市青浦高级中学沈翊凡同学设计的基于相变蓄热技术的低噪声墙体开孔无水冷却钻头，是一个运用新技术解决问题的发明。

它的出现充分体现了发明人强烈的创新热情。装修噪声扰民的问题很常见，哪种噪声最让人难以忍受？经多方观察与考证，沈翊凡同学发现最难忍受的是冲击钻开孔作业时的锤击噪声。正是基于高于常人的创新热情，他决定利用科学手段，对降低冲击钻作业噪声进行突破。

该作品还充分体现了发明人强烈的创新追求。怎样利用科学手段降低冲击钻作业时产生的噪声？对于高中生来说，谈何容易。从他介绍的研究过程可以看出，正是他将创新作为自身成长的一种美好追求，才能努力学习课本之外的新知识——相变蓄热技术，并应用蓄热技术等，成功完成了这项发明。

建议在文本中公开有关作品现场试验的原始照片与原始记录等，使文本更完整。