基于TRIZ理論的空氣凈化器優(yōu)化設(shè)計

摘 要：本文對空氣凈化器進行優(yōu)化設(shè)計研究，旨在運用TRIZ理論對一款多功能型空氣凈化器進行問題分析，通過40個創(chuàng)新發(fā)明原理和S-F物場法對空氣凈化器進行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計。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，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。運用TRIZ的優(yōu)化設(shè)計流程可為相關(guān)行業(yè)研發(fā)設(shè)計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

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

近年來，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快，大氣污染物的排放總量長年居高，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)，遠遠少于因空氣污染致死的人數(shù)。據(jù)有關(guān)部門監(jiān)測，室內(nèi)污染物的種類已經(jīng)超過300多種，這簡直讓人不敢想象。人們除了少部分時間待在室外，待在室內(nèi)的時間占人一生時間的90%左右。由此可見，室內(nèi)空間的空氣質(zhì)量優(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，這對世界各國的衛(wèi)生組織提出了嚴(yán)峻考驗。人們在經(jīng)歷這次疫情之后，對空氣凈化、空氣消毒除菌的認(rèn)識更加深刻，這也將對該類產(chǎn)品今后的市場產(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，因此對空氣凈化產(chǎn)品的設(shè)計研究有著長遠的意義。

一、空氣凈化器設(shè)計現(xiàn)狀

國內(nèi)市場上的空氣凈化器產(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)計特色，缺乏品牌核心競爭力，無法滿足未來人們對新產(chǎn)品期望。同時空氣凈化相關(guān)技術(shù)研發(fā)停滯不前，空氣凈化器的質(zhì)量、功能、性能等方面都相對較低。但整體趨勢是隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展越來越好。市場對高端空氣凈化器產(chǎn)品的需求越來越大，當(dāng)前在對空氣凈化器進行設(shè)計和生產(chǎn)時，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，因此需要對空氣凈化器產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計研究[2]4。

本企業(yè)在對市場和用戶做了充分調(diào)查后，創(chuàng)新研發(fā)設(shè)計了一款集空氣消毒、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。但在對該款空氣凈化器進行測試時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在某些方面存在一定問題：

（一）噪音：單獨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：噪音達到63-70db，直接影響用戶使用體驗。

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

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

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隊，在19世紀(jì)中葉，通過分析世界各國近300萬份發(fā)明專利，歸納和總結(jié)這些知識之間的聯(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、最大化價值為一體，有利于產(chǎn)品開發(fā)工作人員進行技術(shù)改進、系統(tǒng)創(chuàng)新[3]3。本文主要運用其中的矛盾矩陣、S-F物場分析、因果鏈分析等方法對空氣凈化器進行優(yōu)化設(shè)計。

（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：機械噪聲和空氣動力噪聲。

機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、殼體振動等引起。這些缺陷可以通過機械加工技術(shù)、離心風(fēng)機進料檢測以及裝配工藝加以控制。

空氣動力噪聲是由于氣體流動時，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)機工作時，氣體流速非常快，因此必然會產(chǎn)生較大的氣動噪聲，氣動噪聲主要分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲兩類。

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

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

凈化模組噪音：風(fēng)輪噪音、電機噪音。

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，保證運行效率，又想產(chǎn)品足夠小，不占用空間，這構(gòu)成了一對物理矛盾。

（二）標(biāo)準(zhǔn)問題及對應(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理論對應(yīng)的創(chuàng)新發(fā)明原理進行解構(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。這顯然是一對物理矛盾，可以對應(yīng)TRIZ理論的四個分離原理：時間分離、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，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，對應(yīng)39個工程技術(shù)參數(shù)，采用40個發(fā)明原理進行解決問題。

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

其中壓縮機氣缸的聲音屬于制造技術(shù)問題且難以從內(nèi)部解決，對應(yīng)表格標(biāo)準(zhǔn)解，可運用抽取原理，從外部解決該問題。即從對象中抽取出產(chǎn)生負(fù)面影響的部分或?qū)傩裕瑢嚎s機部件整體抽取出來，獨立組成一個模塊。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，從而隔離其工作運行噪音，同時解決了散熱軸流風(fēng)輪的噪音問題[4]。

壓縮機進氣口的噪音，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問題對應(yīng)的局部特性原理，將對象、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氣管道的進氣口端，進行局部設(shè)計和特殊處理。采用增大空間減緩吸入空氣的流速，并將壓縮機吸氣口與空氣進氣口錯位，避免氣流直接對流吸入，增大進氣腔的方法解決問題（如圖1）。

3.凈化模組噪音：風(fēng)輪噪音、電機噪音，可運用S-F物場模型進行分析，尋找對應(yīng)解。如圖2是S-F物場有害效應(yīng)的模型，S2通過F作用于S1時同時產(chǎn)生了有害的或是不想得到的[5]。

電機和風(fēng)輪噪音一起產(chǎn)生，因此需要進行整體分析。根據(jù)物場模型理論建立電機－風(fēng)輪的S-F物場分析模型（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，對風(fēng)輪的噪音來源需要進行因果－功能鏈分析。風(fēng)輪噪音是由于轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪和空氣相互拍打作用產(chǎn)生。轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪系統(tǒng)是由電機帶動風(fēng)輪形成；風(fēng)輪由于旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動風(fēng)葉形成；振動的風(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，振動造成位移偏差，旋轉(zhuǎn)時偏差振動產(chǎn)生的噪音。對于模具和鑄件材料本身的精度工藝技術(shù)，現(xiàn)階段無法快速進化升級。因此，須退一步解決問題。

風(fēng)輪在圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時，由于相對于軸線的質(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)子軸承上會引起振動，產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，這也會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能和壽命。

根據(jù)S-F物場模型的分析，要解決對應(yīng)的此類問題，需查找對應(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物場標(biāo)準(zhǔn)解被分成了五級（五類），每一級別下面包含若干的標(biāo)準(zhǔn)解，共有76個標(biāo)準(zhǔn)解。

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

第二級：強化物場模型的標(biāo)準(zhǔn)解，增加柔性和移動性的23條標(biāo)準(zhǔn)解法。

第三級：向雙、多級系統(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)級轉(zhuǎn)化的6條標(biāo)準(zhǔn)解。

第四級：測量與檢測的標(biāo)準(zhǔn)解，共17條標(biāo)準(zhǔn)解法。

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

風(fēng)輪的S-F物場模型屬于既有用又有害的物場模型。風(fēng)輪轉(zhuǎn)動帶出空氣增加空氣流速，但是轉(zhuǎn)動的同時也產(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，即運用第五級的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)解法，引入新物質(zhì)或新場。

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

將風(fēng)輪放在平衡機上做模擬實驗。根據(jù)平衡機測出的數(shù)據(jù)，可知風(fēng)輪的質(zhì)量分布不均衡點，計算出不平衡量。通過給風(fēng)輪風(fēng)葉添加質(zhì)量塊的方式，對風(fēng)輪的不平衡量進行校正，改善風(fēng)輪相對于旋轉(zhuǎn)軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動或作用于軸承上的振動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)計及系統(tǒng)解決方案

（一）空氣凈化器優(yōu)化設(shè)計

運用TRIZ理論，對現(xiàn)有產(chǎn)品不足之處進行優(yōu)化設(shè)計后，得到了最終的創(chuàng)新設(shè)計方案。

如圖7所示，改進后的空氣凈化器運行噪音更小，舒適怡人。創(chuàng)新性的室內(nèi)外分體式設(shè)計與壁掛式設(shè)計，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，為推向市場做了很好的鋪墊。同時，壁掛式的空氣凈化器更加安全，能夠避免家里有小孩因為好奇心去觸碰電器，保障用戶和其家人的安全。

如圖7所示，室外機將室外空氣進行初步過濾。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，實現(xiàn)富氧功能。室內(nèi)機將有限室內(nèi)空間的空氣循環(huán)凈化，并且通過高能離子對空氣中病菌進行殺滅和沉降，實現(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，筆者團隊提出一種創(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)機和室外機模塊組合而成：一臺中央氧源，多臺室內(nèi)凈化終端機。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，一臺中央氧源，可同時為多臺室內(nèi)凈化機輸送氧氣。可根據(jù)室內(nèi)空間和數(shù)量，分別選擇3L、12L、20L或個性定制室外制氧模組機，能滿足不同用戶群體多方位的需求。室內(nèi)機循環(huán)消毒空氣、凈化空氣，達到室內(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

本文通過對企業(yè)現(xiàn)有空氣凈化器產(chǎn)品存在的不足之處進行問題分析，以TRIZ理論的40個發(fā)明原理和S-F物場理論為依據(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)計出了一款新型的空氣凈化器。并提出一個基于室內(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個發(fā)明原理、S-F物場分析、技術(shù)系統(tǒng)凈化法則等都具有相當(dāng)大的研究價值，產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計人員可充分學(xué)習(xí)和利用該工具，這將對產(chǎn)品開發(fā)工作大有裨益。

參考文獻：

[1]蘇美先.空氣凈化器的研究和設(shè)計[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[2]齊斌.空氣凈化器的智能化設(shè)計研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2019.

[3]羅仕鑒，單萍，徐菲，等.基于行為動態(tài)仿生的產(chǎn)品設(shè)計方法研究[J].機械設(shè)計，2019（8）：110-114.

[4]嚴(yán)斌，李進朝，莊逸鋒，郭艷玲.基于TRIZ理論研究的自動空氣凈化器設(shè)計[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2018（7）：38-42.

[5]檀潤華，王慶禹，苑彩云，段國林.發(fā)明問題解決理論：TRIZ——TRIZ過程、工具及發(fā)展趨勢[J].機械設(shè)計，2001（7）：7-12.

[6]劉曉敏，黃水平，王建輝，林貴杰.基于TRIZ及功能類比的產(chǎn)品概念設(shè)計創(chuàng)新[J].機械工程學(xué)報，2016（23）：34-42.

[7]馬懷宇，孟明辰.基于TRIZ/QFD/FA的產(chǎn)品概念設(shè)計過程模型[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001（11）：56-59.

作者簡介：

李煒烙，碩士，貴陽幼兒師范高等專科學(xué)校助教。研究方向：TRIZ理論及方法、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。

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

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