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        低噪聲無水冷卻鉆頭

        2023-05-30 10:48:04沈翊凡
        關(guān)鍵詞:水鉆沖擊鉆腔體

        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,會導致作業(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(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(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,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,設計了新型無水冷卻鉆頭,增加了水鉆開孔技術(shù)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(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沈翊凡同學設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,才能努力學習課本之外的新知識——相變蓄熱技術(shù),并應用蓄熱技術(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。

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