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[1]。世界衛生組織（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，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，它提供了對創新的客觀見解[2]。根據現有技術、數據和研究方法而不是憑直覺或嘗試來解決已發現的問題。TRIZ理論的起源是俄羅斯專利局員工Genrich Altshuller在評估專利發明并基于此進行設計改進和創造過程中發現的一些共同特征[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生改變，導致放入藥品時無法滿足在2℃～8℃溫度區間內。直到關閉冰箱門后等待溫度下降才能穩定在2℃～8℃溫度區間。

（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象，無法持續穩定在2℃～8℃溫度區間。

（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穩定在2℃～8℃溫度區間，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

上文對現在的實際使用過程中出現的問題進行了簡要的分析后，現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的矛盾[4]。其中溫度的問題代表著“參數17.溫度”，其基本描述為物體或系統所處的熱狀態，代表宏觀系統熱動力平衡的狀態特征。還包括其他熱學參數，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30.作用于物體的有害因素”來代表，其描述為：外部環境或系統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境溫度，如果對環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境溫度導致的溫度上升，并在內部設計溫度報警系統。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32.可制造性（易制造性）”和“參數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“發明原理”具體分析。從而得出最優解。

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定生物制品導致意外損壞，經過實際測試，發現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。