基于TRIZ理論的恒溫熱抽濾裝置創新設計*

孫艷文，陳 震，王曉忠，黃振宇，孟瑩瑩

(河北民族師范學院 化學與化工學院，河北 承德 067000)

TRIZ(Theory of the Solution of Inventive Prob-terms)理論，全稱發明問題解決理論，是由蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒于1946年創立的。阿奇舒勒和他的團隊研究了世界各地250萬份高水平專利，總結出各種技術發展進化遵循的規律模式，并綜合多學科領域解決各種技術矛盾和物理矛盾的創新原理和法則而建立起來的一個由解決技術問題，實現創新開發的各種方法、算法組成的綜合理論體系。它利用創新的規律，使創新走出了盲目的、高成本的試錯和靈光一現式的偶然。TRIZ工具有很多種，包括九屏幕分析法、最理想解法、小人法、矛盾矩陣、物場分析、技術系統進化法則、功能分析法、因果鏈分析，以及ARIZ算法、四大分離原理、40條創新發明原理、76個標準解等[1-3]。

有機化學反應中分離出的固體有機化合物往往是不純的，其中常夾雜著一些反應的副產物、未反應的原料及催化劑等。重結晶是提純這類物質的有效方法，在重結晶操作中，關鍵步驟之一是熱過濾，由于常壓熱過濾操作過濾速度較慢，實驗時間較長，減壓熱抽濾操作在重結晶實驗中應用越來越廣泛[4-5]。但是熱抽濾實驗裝置仍存在一些缺陷，很多專利從不同的角度對熱抽濾裝置進行了改進[6-8]。使用最廣泛的是對布氏漏斗進行保溫，但是這些設計在市面上難以購買，成本較高，安全性不高，不能滿足本科生基礎實驗教學的要求。因此，希望根據傳統熱抽濾實驗裝置進行創新設計，解決目前熱抽濾裝置在使用場景中存在的困境，但又不增加過多繁瑣的操作和儀器設備。

1 系統及組件的功能分析

功能分析。

熱抽濾裝置的核心部件是濾紙和布氏漏斗。對其進行組件分析如表1所示。系統功能分析如圖1所示。

2 問題分析

2.1 因果鏈分析

應用因果鏈分析法確定產生問題的根本原因。由圖2可知，熱抽濾裝置主要存在的問題有：①布氏漏斗預熱后溫度較高，存在燙傷的危險；②熱抽濾過程中，布氏漏斗溫度降低，待提純物質在布氏漏斗中提前析出，重結晶效率低；③待提純物質的熱飽和溶液溫度降低，待提純物質提前析出，堵塞濾紙，發生漏吸，實驗失敗。

表1 熱抽濾裝置系統組件分析

2.2 九屏幕分析法

九屏幕分析法是TRIZ中典型的系統思維方法，可對情景進行整體考慮。從產品層面拆分熱抽濾裝置，當前系統是熱抽濾裝置；當前系統的未來是恒溫熱抽濾裝置；在當前系統中，使用熱抽濾裝置的主要目的是重結晶，而超系統的未來則是在使用時免去不必要的燙傷和重復實驗，可以進行高純度，高效率的重結晶實驗。在改進過程中，保留熱抽濾裝置的基本功能和構造，改動部分只涉及其子系統的某些部分，這部分還是未知，圖中以問號表示(圖3)。

3 運用TRIZ工具解決問題

3.1 物場分析

物場分析是TRIZ理論中的一種分析工具，用于建立已存在的系統或新技術系統的問題相聯系的功能模型。阿奇舒勒認為無論大系統、子系統還是微觀層次都具有功能，所有的功能都可分解為 2 種物質和 1 種場(即二元素組成)[3]。熱抽濾裝置可以抽象成一種完整的物—場模型，但是是效應不足的完整模型：3個元素齊全，但功能未有效實現(圖4)。標準解法是增加物質S3來強化有用的效應，S3可以是現成的物質，或是S1、S2的變異(圖5)。通過改變布氏漏斗的結構來強化技術系統。

3.2 技術矛盾分析

針對問題1，降低布氏漏斗溫度，增加布氏漏斗的能量損失，實驗過程中布氏漏斗溫度不可控是問題1需要重點解決的內容。因此，問題1中的矛盾沖突對應著標準技術參數中的22能量損失和17溫度，建立矛盾沖突矩陣如表2所示。結合7嵌套原理，得到解決方案，即在系統內部引入新的物質——循環水。

表2 問題1矛盾矩陣查詢結果

針對問題2，提高待提純物質溶液的溫度，減少熱抽濾過程中待提純物質溶液的熱量損失，避免熱抽濾過程中待提純物質提前析出是問題2重點解決的內容。因此，問題2中的矛盾沖突對應著標準技術參數中的20運動物體的能量和22能量損失，建立矛盾沖突矩陣如表3所示。結合24借助中介物原理，得到解決方案，即在布氏漏斗頸部引入活塞，當有待提純物質析出時，關閉活塞，提高溫度，待提純物質充分溶解。

表3 問題2矛盾矩陣查詢結果

針對問題3，為了保證實驗的成功率，需要提高濾紙的機械強度，降低溶劑與濾紙相互作用的時間，避免濾紙損壞是問題3重點解決的內容。因此，問題3中的矛盾沖突對應著標準技術參數中的14強度和15運動物體作用時間，建立矛盾沖突矩陣如表4所示，結合26復制原理，得到解決方案，即系統中引入新的子系統——砂芯，代替濾紙，起過濾作用。

表4 問題3矛盾矩陣查詢結果

3.3 物理矛盾分析

當一個技術系統的工程參數具有相反的需求，就出現了物理矛盾，如要求系統的某個參數既要出現又不存在，或既要高又要低，既要大又要小等[1-3]。為了使重結晶效率高，布氏漏斗中的待提純物質不因布氏漏斗溫度降低而提前析出，需要保持較快的過濾速度；而為了使重結晶的效率較高，避免漏吸，應保持較慢的過濾速度。以上兩個問題為該物理矛盾出現的主要原因。該矛盾源于重結晶效率對過濾速度的快慢有著不同的要求。為了保證實驗的安全性，應使布氏漏斗的溫度較低；而布氏漏斗溫度較低時，待提純物質熱飽和溶液中的待提純物質易析出，堵塞濾紙，造成漏吸。以上兩個問題為該物理矛盾出現的主要原因。該矛盾源于熱抽濾操作對布氏漏斗溫度高低有著不同的要求。

上述物理矛盾可以采用空間分離原理。查詢40條發明原理可知，與空間分離原理相關的發明原理如下所示：分割、抽取、局部對稱、非對稱、嵌套、逆向思維、一維變多維、借助中介物、復制、柔性外殼或薄膜。其中,嵌套、借助中介物、復制原理可用于解決熱抽濾實驗裝置的物理矛盾，這與技術矛盾得到的解決方案是一致的。

3.4 最終理想解

TRIZ理論在解決問題之初，拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想，以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中沿著此目標前進并獲得最終理想解，從而避免了傳統創新設計方法中缺乏目標的弊端，提升了創新設計的效率[1-3]，對想要設計的恒溫熱抽濾裝置進行最終理想解分析(表5)。

表5 最終理想解分析表

4 技術方案整理與評價

4.1 全部技術方案及評價

方案1：將瓷質布氏漏斗的結構改為玻璃中空型，通入循環水。

方案評價：對布氏漏斗的形狀進行了改進，當待提純物質因溫度降低而析出時，析出物仍會堵塞濾紙，造成漏吸，實驗失敗。方案不可行。

方案2：用砂芯代替濾紙，起過濾作用。

方案評價：砂芯質地堅硬，不易損壞，方案可行。

方案3：改進布氏漏斗結構，在布氏漏斗頸部引入活塞。

方案評價：在布氏漏斗頸部引入活塞，當待提純物質因溫度降低而析出時，可關閉活塞，提高循環水的溫度，使待提純物質充分溶解，實驗的效率和成功率得到提高，方案可行。

4.2 最終確定方案

經過各種方案分析，最終確定改變熱抽濾裝置的結構，設計一種恒溫熱抽濾裝置，包括：抽濾瓶、恒溫熱抽濾漏斗、橡膠管。其特征在于：所述恒溫熱抽濾漏斗1頸部設有活塞3，所述恒溫熱抽濾漏斗的內壁中設有過濾板4、在內壁與外壁之間設有一空腔5；所述空腔的下端設有進水口6，上端設有出水口7，所述恒溫熱抽濾漏斗的頂端和底端設計為磨砂口8，所述恒溫熱抽濾漏斗通過磨砂口與抽濾瓶10連接，所述抽濾瓶的側面設有抽氣管2；所述恒溫熱抽濾漏斗為夾層玻璃漏斗，所述活塞為聚四氟乙烯活塞，所述空腔為夾層玻璃漏斗的內壁與外壁之間形成的夾層；所述進水口和出水口為中間寬，兩頭窄的葫蘆形結構(圖6)。

本設計在使用前，需向帶有空腔的玻璃布氏漏斗中通入所需溫度的循環水，預先將布氏漏斗進行預熱，防止待提純物質從其熱飽和溶液析出；通過調節布氏漏斗頸部活塞，可調節抽濾的速度，使待提純物質進行多次充分溶解。同時本設計中的起過濾作用的砂芯質地穩定，不易破損。因此，本設計具有重結晶效率高特點。

5 結語

本文基于TRIZ理論中的系統組件分析、因果鏈分析法、九屏幕分析法等對傳統熱抽濾裝置進行了分析，并找出存在根本問題；利用技術矛盾分析、物理矛盾分析、物場模型分析和最理想解找到上述問題的最優解決方案。設計出了一種具有恒溫功能的熱抽濾裝置，該裝置具有溫度可控、速度可調、安全可靠的優異特點，為TRIZ理論在實驗裝置改進方面的應用開辟了新的思路。