基于TRIZ理論的家用冰箱存儲生物試劑的改進

陳吞 沈劍 楊樂庭 黃勇 崔懷雷

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

大多數(shù)的生物制品，如疫苗、胰島素、眼藥水、生物制藥、實驗室試劑、血液衍生物等，對溫度較為敏感。根據世界衛(wèi)生組織的報告指出：一些產品對熱非常敏感，但又不能冷凍，它們通常保存在冰箱的第一或第二冷藏層，保持2℃～8℃保存。毫無疑問這是對冷鏈供應的巨大挑戰(zhàn)[1]。世界衛(wèi)生組織（WHO）估計約50%的疫苗無法給患者正常使用。很多情況下，糖尿病患者自身購買胰島素長時間保存在冰箱中，依靠溫度計判斷儲存的溫度是否合格。但是在很多情況下家用冰箱由于缺乏控制系統(tǒng)，在使用過程時如果有中長時間冰箱門打開或者其他情況，將導致其無法將保存溫度恒定維持在2℃～8℃。

TRIZ理論是一種常見的工程設計方法論，它提供了對創(chuàng)新的客觀見解[2]。根據現(xiàn)有技術、數(shù)據和研究方法而不是憑直覺或嘗試來解決已發(fā)現(xiàn)的問題。TRIZ理論的起源是俄羅斯專利局員工Genrich Altshuller在評估專利發(fā)明并基于此進行設計改進和創(chuàng)造過程中發(fā)現(xiàn)的一些共同特征[3]。分析問題和在問題中提取矛盾是TRIZ中最根本的思想，利用現(xiàn)有的解決方法和技術中常用的共同原理，從而高效的解決產品中出現(xiàn)的問題。它的核心以分析問題為主，建立了以問題為導向的解決思路。本文中，為了徹底解決長時間開門和頻繁開關門導致生物試劑失活的問題，利用TRIZ法對問題進行了分析，將該問題化簡為存在的標準矛盾，并利用發(fā)明原理得到了最終的解決辦法并制作實物進行了測試。

2 冰箱保溫在設計方面存在的問題分析

2.1 問題簡介

（1）在將藥品放入冰箱的過程中，由于需要一直保持冰箱門敞開的過程，氣溫較高時導致冰箱內溫度發(fā)生改變，導致放入藥品時無法滿足在2℃～8℃溫度區(qū)間內。直到關閉冰箱門后等待溫度下降才能穩(wěn)定在2℃～8℃溫度區(qū)間。

（2）在冰箱冷凍儲存過程中，存在冰箱門沒有關好的可能性，室溫與冰箱內的溫度存在一定的對流現(xiàn)象，無法持續(xù)穩(wěn)定在2℃～8℃溫度區(qū)間。

（3）取出藥品時，可能會存在長時間開啟冰箱門的操作。與上面的情況類似，可能會導致放置在冰箱內的其他藥品在一定時間內無法持續(xù)穩(wěn)定在2℃～8℃溫度區(qū)間，導致藥品變質。

2.2 問題求解

遇到這些問題時，用戶通常會采取兩種措施：

（1）在關閉冰箱門后檢查是否將冰箱門完全關閉，以防止出現(xiàn)冰箱門沒有完全關閉的情況。

（2）縮短打開與關閉冰箱門之間的時間間隔，從而減少冰箱內溫度的波動。

3 利用TRIZ原理解決該問題

上文對現(xiàn)在的實際使用過程中出現(xiàn)的問題進行了簡要的分析后，現(xiàn)在將這些問題用通用技術矛盾表示，從而描述實際問題中出現(xiàn)的矛盾[4]。其中溫度的問題代表著“參數(shù)17.溫度”，其基本描述為物體或系統(tǒng)所處的熱狀態(tài)，代表宏觀系統(tǒng)熱動力平衡的狀態(tài)特征。還包括其他熱學參數(shù)，如影響改變溫度變化速度的熱容量。而藥品的變質問題用“參數(shù)30.作用于物體的有害因素”來代表，其描述為：外部環(huán)境或系統(tǒng)的其他部分對物體的有害作用，使物體的功能退化。

通常情況下，可以通過以下兩種方式獲得最優(yōu)解：增加有用功能或者減少有害功能。而根據上述的問題描述我們可知，本次問題中的有害功能是環(huán)境溫度，如果對環(huán)境溫度加以控制則需要較高的代價。所以僅僅選擇增加有用功能作為我們的設計思路。

根據TRIZ原理的矛盾矩陣與40個發(fā)明原理，我們可以選用“原理9.預先反作用”、“原理23.反饋”與“原理10.預先作用”來改善冰箱中長時間開門與關門中的溫度變化問題。“原理10.預先作用”的意思是預先導入有用的作用到物體或系統(tǒng)中（全部或少部分）以施加必要的改變。“原理9.預先反作用”的意思是預先導入有用的作用到物體或系統(tǒng)中（全部或少部分）以施加必要的改變。“原理23.反饋”的意思是在系統(tǒng)中引入反饋。根據這些表述，在開門前，將冰箱的溫度下降至2℃，可以有效的減緩溫度上升對藥品導致的影響。同時當冰箱門打開后，提高壓縮機功率，增強制冷效果從而補償環(huán)境溫度導致的溫度上升，并在內部設計溫度報警系統(tǒng)。而根據反饋原理，將溫度直接顯示在冰箱的LED面板上，并且設計報警的溫度。當溫度不在2℃～8℃時，冰箱會發(fā)出提示音從而提醒用戶將藥物妥善保存，從而避免了長時間的冰箱門未關閉時藥品無法正常保存的問題。

值得注意的是，TRIZ的矛盾矩陣也提供了解決這些問題其他的思路。如“原理2.抽取”、原理3.局部質量”等。“原理2.抽取”的意思是將物體中的「干擾」部分或特性抽取出來。“原理3.局部質量”的意思是改變一個物體或系統(tǒng)的結構從均質變異質。但是需要注意的是，并不是矛盾矩陣中的原理都完全適用。TRIZ法提供的僅僅是一個解決問題的思路，因為如本文中的問題一樣，無法完全擺脫技術矛盾中的“參數(shù)32.可制造性（易制造性）”和“參數(shù)33.操作流程的方便性（可操作性、易用性、易操作性）”的影響。所以需要簡化關鍵問題后對給出的“發(fā)明原理”具體分析。從而得出最優(yōu)解。

圖1 冰箱門開啟后溫度與時間的關系

4 產品方案的制作與測試

根據上文的方案，我們選用BCD-511WGPM美的冰箱，并對其中的溫控系統(tǒng)進行改裝。利用冰箱表面的觸摸屏加入一個“開門”的按鈕，并在保鮮層內四角分別安裝溫度傳感器，以解決因為室溫的影響導致保鮮層內溫度分布不均勻的情況。當按下“開門”按鈕后，制冷效果增強，保鮮層內四點的溫度下降至2℃并提示此時可以打開冰箱。同時持續(xù)制冷效果增強使得溫度控制在2℃與8℃之間。當溫度超過8℃時，蜂鳴器開始工作，并且觸摸屏開始不斷閃爍紅光以達到提示溫度過高的作用。而當溫度低于2℃時，自動降低壓縮機功率，從而減弱制冷效果，令保鮮層內的溫度始終處在一個動態(tài)平衡的范圍中。

根據我們三次測試的結果（取平均值），每次開門時間均為5min，結果如表1所示。按下“開門”鍵后，保鮮層的溫度可以在30S內降至2℃，四點傳感器的溫度差異并不大。這是因為此時的冰箱屬于密閉空間，溫度受到室溫的影響由于保溫層的存在，基本可以忽略。在室溫為32℃的情況下，我們將打開冰箱門后（功率不變）設計為對照組，用以檢查這樣設計的效果。在功率不變的情況下，打開冰箱門后溫度立刻上升，這與環(huán)境溫度與冰箱內溫度相差過大有關。而增加功率可以有效的減小溫度的下降。由于點3，點4在外側，與空氣接觸的相對面積更大，所以溫度上升比點1、點2更快。

為了更精確的研究可以保持的時間，我們進行了3次測量并對點3溫度趨勢作圖。圖1表示當冰箱門打開后溫度和時間變化的曲線。該圖表明在該狀態(tài)下最高可以保持3.5min，而這個時間足夠完成取物的全部流程。而對照組僅僅在冰箱門打開后的15s內無法維持2℃～8℃的溫度區(qū)間。從而證明了我們基于TRIZ法設計的可行性。

5 結論

TRIZ法是廣泛應用在各個領域的，被全世界公認的一種有效的解決問題的辦法，它提供了對問題解決的一系列的可行的思路。因此，常用的概念產品的設計階段。它可以高效的輔助工程師進行產品的迭代和改良，本文基于TRIZ方法，通過對矛盾矩陣和發(fā)明原理的靈活運用，設計并制備了可以防止在家庭存儲過程中，因為開門時間過長溫度不穩(wěn)定生物制品導致意外損壞，經過實際測試，發(fā)現(xiàn)本方案可以有效的防止各種意外的情況導致的長時間冰箱門開啟。毫無疑問，這能有效的降低如胰島素等高頻使用的生物試劑的意外損壞，正確的掌握與使用TRIZ方法，能夠有效的解決本研究中的問題。