基于TRIZ理論的空氣凈化器優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：本文對(duì)空氣凈化器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，旨在運(yùn)用TRIZ理論對(duì)一款多功能型空氣凈化器進(jìn)行問題分析，通過40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理和S-F物場(chǎng)法對(duì)空氣凈化器進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的空氣凈化器噪音明顯減小，提高了用戶室內(nèi)地面空間利用率，生產(chǎn)后投入市場(chǎng)，提高了用戶滿意度。研究發(fā)現(xiàn)TRIZ理論中包含很多問題分析和解決問題的方法，既可分析問題，也是很好的解決問題工具。運(yùn)用TRIZ的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程可為相關(guān)行業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)人員提供一定的思路。

關(guān)鍵詞：TRIZ；空氣凈化器；問題分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：本文系貴州省科技廳基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合LH字[2017]7232）階段性研究成果。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，大氣污染物的排放總量長(zhǎng)年居高，空氣質(zhì)量指數(shù)下降，大氣污染成為難以避免的嚴(yán)重問題。我們處在一個(gè)由霧霾、汽車尾氣、二手煙、寵物毛屑、花粉、甲醛等各類化學(xué)物質(zhì)污染的環(huán)境中，環(huán)境污染就像慢性毒藥正慢慢侵襲我們的健康[1]。

全球每年因艾滋病、瘧疾、乳腺癌以及肺結(jié)核等疾病致死的人數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于因空氣污染致死的人數(shù)。據(jù)有關(guān)部門監(jiān)測(cè)，室內(nèi)污染物的種類已經(jīng)超過300多種，這簡(jiǎn)直讓人不敢想象。人們除了少部分時(shí)間待在室外，待在室內(nèi)的時(shí)間占人一生時(shí)間的90%左右。由此可見，室內(nèi)空間的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良程度將與人的身體健康息息相關(guān)，如果室內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)太低，很可能會(huì)引發(fā)癌癥、呼吸道感染等疾病[2]3。

2019年末，新冠肺炎這只黑天鵝席卷全球，這對(duì)世界各國(guó)的衛(wèi)生組織提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。人們?cè)诮?jīng)歷這次疫情之后，對(duì)空氣凈化、空氣消毒除菌的認(rèn)識(shí)更加深刻，這也將對(duì)該類產(chǎn)品今后的市場(chǎng)產(chǎn)生積極影響。由此可見，研究室內(nèi)空氣凈化技術(shù)顯得極其重要，因此對(duì)空氣凈化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。

一、空氣凈化器設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的空氣凈化器產(chǎn)品雖琳瑯滿目，但主要走中低端路線，高端產(chǎn)品卻比較匱乏。生產(chǎn)模式較為單一，空氣凈化器的形式和功能趨于同質(zhì)化，沒有體現(xiàn)出品牌影響力和設(shè)計(jì)特色，缺乏品牌核心競(jìng)爭(zhēng)力，無法滿足未來人們對(duì)新產(chǎn)品期望。同時(shí)空氣凈化相關(guān)技術(shù)研發(fā)停滯不前，空氣凈化器的質(zhì)量、功能、性能等方面都相對(duì)較低。但整體趨勢(shì)是隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展越來越好。市場(chǎng)對(duì)高端空氣凈化器產(chǎn)品的需求越來越大，當(dāng)前在對(duì)空氣凈化器進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，單一性地考慮滿足用戶的基本需求，而忽略了用戶的深層次的隱性需求及興奮需求，因此需要對(duì)空氣凈化器產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[2]4。

本企業(yè)在對(duì)市場(chǎng)和用戶做了充分調(diào)查后，創(chuàng)新研發(fā)設(shè)計(jì)了一款集空氣消毒、空氣凈化、室內(nèi)供氧、加濕功能一身的多功能型空氣凈化器產(chǎn)品。但在對(duì)該款空氣凈化器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在某些方面存在一定問題：

（一）噪音：?jiǎn)为?dú)打開空氣凈化器凈化功能，調(diào)節(jié)三檔風(fēng)速，制氧模塊關(guān)閉，噪音50-68db，噪音較大。睡眠模式：噪音37-45db，噪音較大。開啟制氧模式：噪音達(dá)到63-70db，直接影響用戶使用體驗(yàn)。

（二）空間：體驗(yàn)人群使用產(chǎn)品后反饋指出，產(chǎn)品尺寸雖然只有330*330*990mm，但是對(duì)于家里空間本就緊湊的使用人群來說，仍會(huì)占用一定室內(nèi)面積和空間。如果用戶家里有老人和小孩，或許會(huì)帶來安全隱患。

因此需要對(duì)空氣凈化器在噪音和占用面積方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)設(shè)計(jì)出更加人性化的凈化產(chǎn)品，更好地提升用戶體驗(yàn)。

二、問題分析及解決方案

TRIZ是俄文的縮寫，英文譯文為“Theory of Inventive Problem Solving”，中文稱作發(fā)明問題的解決理論。它是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒及其團(tuán)隊(duì)，在19世紀(jì)中葉，通過分析世界各國(guó)近300萬份發(fā)明專利，歸納和總結(jié)這些知識(shí)之間的聯(lián)系和規(guī)律，總結(jié)出的創(chuàng)新發(fā)明方法。TRIZ集解決問題、開發(fā)策略、最大化價(jià)值為一體，有利于產(chǎn)品開發(fā)工作人員進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)、系統(tǒng)創(chuàng)新[3]3。本文主要運(yùn)用其中的矛盾矩陣、S-F物場(chǎng)分析、因果鏈分析等方法對(duì)空氣凈化器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（一）空氣凈化器產(chǎn)品問題分析

空氣凈化器其噪聲主要來源有兩類：機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。

機(jī)械噪聲是由加工工藝方面缺陷引起的，由軸承噪聲、轉(zhuǎn)子不平衡、殼體振動(dòng)等引起。這些缺陷可以通過機(jī)械加工技術(shù)、離心風(fēng)機(jī)進(jìn)料檢測(cè)以及裝配工藝加以控制。

空氣動(dòng)力噪聲是由于氣體流動(dòng)時(shí)，氣體本身相互摩擦或氣體與殼體相互碰撞的摩擦作用產(chǎn)生。由于離心風(fēng)機(jī)工作時(shí)，氣體流速非?？?，因此必然會(huì)產(chǎn)生較大的氣動(dòng)噪聲，氣動(dòng)噪聲主要分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲兩類。

對(duì)空氣凈化器產(chǎn)品問題進(jìn)行充分觀察、分析后，可以得到如下結(jié)論：

制氧模組噪音：壓縮機(jī)活塞氣缸的聲音、散熱軸流風(fēng)輪與空氣摩擦的聲音、進(jìn)氣口的空氣流動(dòng)聲音、排氮口排氣噪音。

凈化模組噪音：風(fēng)輪噪音、電機(jī)噪音。

產(chǎn)品占用空間問題：產(chǎn)品尺寸本就緊湊，如要不占用更多的空間，就得縮小產(chǎn)品各部件體積，但產(chǎn)品出風(fēng)流量和凈化效率就會(huì)降低；尺寸大，出風(fēng)流量和凈化效率就較高。用戶既希望產(chǎn)品尺寸足夠大，保證運(yùn)行效率，又想產(chǎn)品足夠小，不占用空間，這構(gòu)成了一對(duì)物理矛盾。

（二）標(biāo)準(zhǔn)問題及對(duì)應(yīng)發(fā)明原理

根據(jù)產(chǎn)品存在的問題類型（如表1），可以采用TRIZ理論對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新發(fā)明原理進(jìn)行解構(gòu)、分析、解決[3]5。

1.產(chǎn)品占用空間的問題：既要產(chǎn)品足夠大，滿足運(yùn)行性能所需，又要產(chǎn)品足夠小滿足客戶要求。這顯然是一對(duì)物理矛盾，可以對(duì)應(yīng)TRIZ理論的四個(gè)分離原理：時(shí)間分離、空間分離、條件分離、整體與部分分離。

根據(jù)空間分離原理獲得創(chuàng)新解：利用空間分離的方法，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)為壁掛式，與地面在空間維度上分開，增加地面的利用率的同時(shí)，不影響產(chǎn)品的擺放和工作。

2.制氧模組噪音可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)問題，對(duì)應(yīng)39個(gè)工程技術(shù)參數(shù)，采用40個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行解決問題。

如表1所示，根據(jù)對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，選擇最易實(shí)現(xiàn)和操作的原理解決當(dāng)前問題：

其中壓縮機(jī)氣缸的聲音屬于制造技術(shù)問題且難以從內(nèi)部解決，對(duì)應(yīng)表格標(biāo)準(zhǔn)解，可運(yùn)用抽取原理，從外部解決該問題。即從對(duì)象中抽取出產(chǎn)生負(fù)面影響的部分或?qū)傩?，將壓縮機(jī)部件整體抽取出來，獨(dú)立組成一個(gè)模塊。結(jié)合空間分離原理，將其放置于室外空間，與室內(nèi)空間相分離，從而隔離其工作運(yùn)行噪音，同時(shí)解決了散熱軸流風(fēng)輪的噪音問題[4]。

壓縮機(jī)進(jìn)氣口的噪音，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問題對(duì)應(yīng)的局部特性原理，將對(duì)象、環(huán)境或外部作用的均勻結(jié)構(gòu)變?yōu)椴痪鶆蚪Y(jié)構(gòu)。將原本單一均勻的進(jìn)氣管道的進(jìn)氣口端，進(jìn)行局部設(shè)計(jì)和特殊處理。采用增大空間減緩吸入空氣的流速，并將壓縮機(jī)吸氣口與空氣進(jìn)氣口錯(cuò)位，避免氣流直接對(duì)流吸入，增大進(jìn)氣腔的方法解決問題（如圖1）。

3.凈化模組噪音：風(fēng)輪噪音、電機(jī)噪音，可運(yùn)用S-F物場(chǎng)模型進(jìn)行分析，尋找對(duì)應(yīng)解。如圖2是S-F物場(chǎng)有害效應(yīng)的模型，S2通過F作用于S1時(shí)同時(shí)產(chǎn)生了有害的或是不想得到的[5]。

電機(jī)和風(fēng)輪噪音一起產(chǎn)生，因此需要進(jìn)行整體分析。根據(jù)物場(chǎng)模型理論建立電機(jī)－風(fēng)輪的S-F物場(chǎng)分析模型（如圖3），并建立因果－功能分析模型（如圖4），尋找問題產(chǎn)生的原因及解決方法[6]。

如圖4所示，對(duì)風(fēng)輪的噪音來源需要進(jìn)行因果－功能鏈分析。風(fēng)輪噪音是由于轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪和空氣相互拍打作用產(chǎn)生。轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪系統(tǒng)是由電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)輪形成；風(fēng)輪由于旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)葉形成；振動(dòng)的風(fēng)葉由于質(zhì)量分布不均的風(fēng)葉造成；而造成風(fēng)葉質(zhì)量不均是不規(guī)則的模具和材料造成；最后追溯到模具制造的材料工藝和鑄件材料的性質(zhì)上面，找到噪音形成的最根本原因。

根據(jù)因果－功能分析鏈圖分析，可知噪音產(chǎn)生的最終原因來自模具和材料的特性，因其導(dǎo)致風(fēng)輪整體的質(zhì)量分布不均，振動(dòng)造成位移偏差，旋轉(zhuǎn)時(shí)偏差振動(dòng)產(chǎn)生的噪音。對(duì)于模具和鑄件材料本身的精度工藝技術(shù)，現(xiàn)階段無法快速進(jìn)化升級(jí)。因此，須退一步解決問題。

風(fēng)輪在圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于相對(duì)于軸線的質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生離心力。這種不平衡離心力作用在轉(zhuǎn)子軸承上會(huì)引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，這也會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能和壽命。

根據(jù)S-F物場(chǎng)模型的分析，要解決對(duì)應(yīng)的此類問題，需查找對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解類別尋找問題的求解方法。

在經(jīng)典TRIZ中，S-F物場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)解被分成了五級(jí)（五類），每一級(jí)別下面包含若干的標(biāo)準(zhǔn)解，共有76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解。

第一級(jí)：基本物場(chǎng)模型的標(biāo)準(zhǔn)解，物場(chǎng)建立與破壞的13條標(biāo)準(zhǔn)解法。

第二級(jí)：強(qiáng)化物場(chǎng)模型的標(biāo)準(zhǔn)解，增加柔性和移動(dòng)性的23條標(biāo)準(zhǔn)解法。

第三級(jí)：向雙、多級(jí)系統(tǒng)和微觀系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)解，即向超系統(tǒng)和微觀系統(tǒng)級(jí)轉(zhuǎn)化的6條標(biāo)準(zhǔn)解。

第四級(jí)：測(cè)量與檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)解，共17條標(biāo)準(zhǔn)解法。

第五級(jí)：簡(jiǎn)化與改善策略標(biāo)準(zhǔn)解，引入物質(zhì)或場(chǎng)（也叫實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)解的標(biāo)準(zhǔn)）的17條標(biāo)準(zhǔn)解法。

風(fēng)輪的S-F物場(chǎng)模型屬于既有用又有害的物場(chǎng)模型。風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶出空氣增加空氣流速，但是轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也產(chǎn)生了噪音，噪音并不是我們想要的效果。這是完整但物場(chǎng)元素彼此又產(chǎn)生有害功能的模型，需要向多物質(zhì)合成系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，即運(yùn)用第五級(jí)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)解法，引入新物質(zhì)或新場(chǎng)。

根據(jù)物場(chǎng)原理（如圖5），在物場(chǎng)模型中引入第三個(gè)物質(zhì)S3，利用S3的重力場(chǎng)去改變風(fēng)輪質(zhì)量分布不均的問題，可得到有效有用的物場(chǎng)模型[7]。

將風(fēng)輪放在平衡機(jī)上做模擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)平衡機(jī)測(cè)出的數(shù)據(jù)，可知風(fēng)輪的質(zhì)量分布不均衡點(diǎn)，計(jì)算出不平衡量。通過給風(fēng)輪風(fēng)葉添加質(zhì)量塊的方式，對(duì)風(fēng)輪的不平衡量進(jìn)行校正，改善風(fēng)輪相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)或作用于軸承上的振動(dòng)力減少到最小的范圍之內(nèi)。

如圖6所示，調(diào)節(jié)風(fēng)輪的動(dòng)平衡。調(diào)節(jié)后的風(fēng)輪再裝配到空氣凈化器后，空氣凈化器的噪音降低了10-13分貝。并且睡眠模式在27-33db左右，調(diào)節(jié)三檔風(fēng)速在43-55db左右，有效地降低了空氣凈化器的噪音。

三、空氣凈化器優(yōu)化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)解決方案

（一）空氣凈化器優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用TRIZ理論，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品不足之處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，得到了最終的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

如圖7所示，改進(jìn)后的空氣凈化器運(yùn)行噪音更小，舒適怡人。創(chuàng)新性的室內(nèi)外分體式設(shè)計(jì)與壁掛式設(shè)計(jì)，不僅有效隔絕制氧模組的噪音問題，還完美解決了室內(nèi)地面空間占用、老人小孩安全隱患的問題。不占用地面的空間，讓家里環(huán)境看起來更大，這極大利用了室內(nèi)空間，提高了用戶滿意度，為推向市場(chǎng)做了很好的鋪墊。同時(shí)，壁掛式的空氣凈化器更加安全，能夠避免家里有小孩因?yàn)楹闷嫘娜ビ|碰電器，保障用戶和其家人的安全。

如圖7所示，室外機(jī)將室外空氣進(jìn)行初步過濾。經(jīng)制氧模組抽離出氧氣輸送到室內(nèi)空氣凈化器，通過風(fēng)道出口吹出，實(shí)現(xiàn)富氧功能。室內(nèi)機(jī)將有限室內(nèi)空間的空氣循環(huán)凈化，并且通過高能離子對(duì)空氣中病菌進(jìn)行殺滅和沉降，實(shí)現(xiàn)消毒和凈化功能。如此循環(huán)凈化，能持續(xù)為用戶帶來新鮮、純凈空氣。凈化原理如圖8所示。

（二）空氣凈化創(chuàng)新系統(tǒng)解決方案

通過對(duì)空氣凈化器系統(tǒng)的分析和新風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)劣調(diào)查，筆者團(tuán)隊(duì)提出一種創(chuàng)新性的空氣凈化系統(tǒng)解決方案，即“新”新風(fēng)系統(tǒng)。

“新”新風(fēng)系統(tǒng)由室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)模塊組合而成：一臺(tái)中央氧源，多臺(tái)室內(nèi)凈化終端機(jī)。我們將其稱為“1+N”的空氣凈化系統(tǒng)，即將空氣制氧、空氣凈化、空氣消毒集成于一體的新型空氣凈化系統(tǒng)。

如圖9所示，一臺(tái)中央氧源，可同時(shí)為多臺(tái)室內(nèi)凈化機(jī)輸送氧氣?？筛鶕?jù)室內(nèi)空間和數(shù)量，分別選擇3L、12L、20L或個(gè)性定制室外制氧模組機(jī)，能滿足不同用戶群體多方位的需求。室內(nèi)機(jī)循環(huán)消毒空氣、凈化空氣，達(dá)到室內(nèi)空氣質(zhì)量最優(yōu)，持續(xù)為用戶提供富氧、潔凈的新鮮空氣。

該系統(tǒng)不僅適合一般家庭用戶的凈化需求，同樣適用于商用領(lǐng)域，例如養(yǎng)生會(huì)所、學(xué)校教室、寫字樓辦公室等。創(chuàng)新性的“1+N系統(tǒng)”，開啟了新風(fēng)、凈化系統(tǒng)的“新革命”，因此將它命名為“新”新風(fēng)系統(tǒng)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)企業(yè)現(xiàn)有空氣凈化器產(chǎn)品存在的不足之處進(jìn)行問題分析，以TRIZ理論的40個(gè)發(fā)明原理和S-F物場(chǎng)理論為依據(jù)，解決了現(xiàn)有產(chǎn)品在噪音和空間上存在的問題，研發(fā)設(shè)計(jì)出了一款新型的空氣凈化器。并提出一個(gè)基于室內(nèi)多空間空氣凈化的系統(tǒng)解決方案，為空氣凈化和新風(fēng)行業(yè)迎來了室內(nèi)空氣凈化的“新革命”。TRIZ理論是集分析問題工具和解決問題工具于一體的理論，其40個(gè)發(fā)明原理、S-F物場(chǎng)分析、技術(shù)系統(tǒng)凈化法則等都具有相當(dāng)大的研究?jī)r(jià)值，產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)人員可充分學(xué)習(xí)和利用該工具，這將對(duì)產(chǎn)品開發(fā)工作大有裨益。

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作者簡(jiǎn)介：

李煒烙，碩士，貴陽(yáng)幼兒師范高等?？茖W(xué)校助教。研究方向：TRIZ理論及方法、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

楊勤，碩士，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)理論及方法、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

王東君，貴州全世通精密機(jī)械科技有限公司高級(jí)工程師。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。