基于TRIZ理論的可調溫保溫杯創新設計

楊亮亮 馮乙

摘要：基于TRIZ理論的設計方法，對可調溫保溫杯進行創新設計。為設計出可以調節溫度的保溫杯，以TRIZ為理論基礎進行問題分析與問題解決。在設計過程中，首先從系統功能、系統因果鏈和系統九屏幕法進行問題分析;然后，利用技術矛盾和物-場分析方法得到問題的解決方案;最后，梳理前期分析和解決問題的多種方案評定出最優方案。利用TRIZ理論為可調溫保溫杯設計提供了新的思路，同時驗證了可調溫保溫杯創新設計的可行性。

關鍵詞：可調溫保溫杯TRIZ理論創新設計功能分析矛盾解決

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）09-0136-03

Abstract：The work aims to conduct innovative design of the thermos cup that can adjust the temperatures based on the theory of TRIZ. In the design process，the problems are analyzed from the system function，he Fault Tree Analysis and the system nine-screen method. Then，the solution of the problem is obtained by using technical contradiction and Substance-Field analysis method. Finally，combing the previous analysis and solving the problem of a variety of solutions to evaluate the best design .This paper provides a new idea for the design of thermos cup with adjustable temperature by using TRIZ theory，and verifies the feasibility of the innovative design of thermos cup with adjustable temperature.

Keywords： Thermos cup with adjustable temperature The theory of TRIZ Innovative design Functional analysis Conflict resolution

引言

隨著時代發展，人們的生活水平在逐步提高，對于日常生活必需品的品質和功能的追求也在不斷提高。消費者希望每個產品都具有多樣性的功能，提高使用的效率?；谝陨系姆治龊蚑RIZ理論的結合應用，提出了該理論下的可調溫保溫杯產品創新設計思路?，F在市場上大部分的保溫杯，都只能盛裝熱水或者常溫的飲用水的一種。也有一些保溫杯能夠盛裝一定的熱水以達到恒溫的使用需求，但是其產品大多為使用了較為昂貴的材料或者是在杯體中加入了電子智能設備以達到使用需求[1]。分析以上存在的問題，給產品使用上帶來了很大的不便。從這一點出發，探究設計了一種可調節溫度的新型保溫杯，以提高保溫杯的使用效率。本文首先按照TRIZ方法理論流程對保溫杯進行問題分析和問題解決，再進行相應的設計方案構思。探索分析設計過程的最優解，以達到保溫杯可調節溫度的效果，為其他同類產品的開發設計提供借鑒。

一、TRIZ理論概述

TRIZ理論是“發明問題解決理論”的最常用簡稱，是將俄文譯成拉丁文后的縮寫。關于TRIZ的理論緣起，按照時間可以追溯到20世紀40年代。阿奇舒勒擔任專利調查員期間，由于工作原因閱讀了大量的專利文件，在工作中他注意到那些看似毫無聯系的專利中存在著一些解決問題的基本模式。每個成熟的專利都是在解決現有的矛盾問題，解決這些矛盾的相同原理被反復利用[2]。阿奇舒勒在對海量文獻專利搜集，研究和提煉之后，整合后開發出了TRIZ這一理論創新方法體系。體系中包含了大量實用的創新方法工具，運用這套理論方法可以針對實踐中各類復雜的問題進行分析和解答。

二、現有可調溫保溫杯調研分析

通過前期產品市場調研，對現有的各類可調溫保溫杯的產品性能和優缺點做出具體分析。本次研究選取了目前市場上銷量較好的幾款可調溫保溫杯進行各項比較，主要是針對現有可調溫保溫杯產品的不足和存在的急需解決的矛盾進行研究，得以實現新產品的創新改良和優化。本次市場調研主要發現有兩種調溫方式的保溫杯產品，第一種是依靠杯體內使用新型材料發生冷熱交換反應而達到調控溫度的目的;第二種與之不同，大多是依靠放電過程中形成的電能和杯中水做熱量交換以達到調溫的目的。

市場上現有功能相似的保溫杯還包括富光品牌的55℃保溫杯、極愛55℃保溫杯等，這些保溫杯產品基本功能和上述洛可可公司的保溫杯產品基本原理相同，都是利用保溫杯隔層的相變材料迅速吸熱進行降溫，材料吸熱之后放熱進行保溫的原理制成。第二種類型的可調溫保溫杯就是自帶加熱功能部件或依靠配套加熱部件調節溫度的產品，杯內用普通電阻絲加熱杯中的水或者用配備的底座所產生電磁波來加熱水溫。

通過調研分析總結得出，現有同種功能產品各有優缺，可調溫保溫杯的競爭優勢主要體現在加熱功能和維持溫度的方式上。使用電輔助加熱類別的保溫杯需要使用電源，受使用環境的限制。其中，55℃保溫杯創新性地運用了新材料將水溫調節至55℃達到最適合人體飲用的溫度深受消費者的青睞，但同時其較貴的售價也使此產品的缺點一目了然?；诒狙芯壳捌谡{研發現的現有問題，提出一種基于TRIZ理論的可調溫杯產品創新設計方法，并根據該方法設計出售價合理，使用便捷的可調溫保溫杯。

三、基于TRIZ理論的創新設計

（一）問題的描述與分析

保溫杯是我們生活中的必備用品，普通保溫杯的保溫原理就是要盡量減少水的熱量損失，以此達到保溫的效果。我們在使用保溫杯的時候也會遇到與保溫相關問題，剛接入杯內的開水由于溫度過高不能立刻飲用，只能將其放置等到水的溫度慢慢下降之后才可飲用。這就產生了一個非常不方便的使用問題，使本該屬于產品的優勢轉而成為其使用的劣勢和痛點。

利用TRIZ理論分析初始問題，為解決保溫杯盛接熱水不能即刻飲用溫水的問題，對傳統保溫杯進行創新設計，應滿足如下一些限制條件：該可調溫保溫杯設計制造不應太復雜，成本不應過高;該可調溫保溫杯不應有過于嚴格的使用環境限制;該可調溫保溫杯要尊重傳統操作方式，不易將使用方式改動過大。

1.系統功能分析。功能是指當某個組件改變或者保持另一組的某個參數的行為或者作用[3]。在TRIZ理論中，功能是對產品或技術系統特定的工作能力較為抽象化的表述，任何產品都具有其特定的功能。

功能是產品存在的理由，產品是功能的實質載體。而系統功能分析的主要目的就是對已有系統進行分解，確定此技術系統所提供的主要功能，明確各組件的有用功能和對所屬系統功能的貢獻，通過拆解分析建立繪制組件功能模型圖。

根據系統功能分析流程，將本次研究主體保溫杯作為擁有完整功能的獨立系統展開分析。其中的技術系統有：不銹鋼外殼、內膽、塑料杯蓋、按鍵、橡膠圈，彈簧;超系統包含：飲水機，熱水壺，使用人群。其中主要技術系統具體包括系統作用對象系統組件，超系統組件指對系統造成影響的外部因素，在研究中飲水機、熱水壺、使用人群就屬于超系統組件。

建立保溫杯系統內相互作用矩陣于下表1中，將各組件相互作用的分析表述清楚。用帶“+”的單元意味著有可能作用，后續需要具體分析各部件具體作用是什么。用帶“-”表示兩者沒有作用，后續分析中將不再考慮。

接著建立功能模型表式，見表2。通過功能模型表式可以幫助分析識別原件之間的具體作用，了解保溫杯各原件作用功能。在如下表格內系統性地記錄下工程系統中各功能載體、具體功能、功能客體、參數以及性質。

在發現問題設計之初，首先進行的是功能分析。功能分析的目的是從完成保溫杯功能的角度而不是制造保溫杯技術的角度去分析系統、子系統和部件。以上部分完成了裁剪過程，就是研究保溫杯每一個功能是否必需，如果必需，系統中其他部件是否可以代替其完成相對應功能。

通過上述功能功能分析，將表2進行圖形化建立保溫杯的功能模型圖，圖1。通過功能模型圖可以清楚地了解到每個功能單元所執行功能和被作用單元在該單元上的功能，尤其是有特殊問題的單元，如下圖中圈內的單元。簡單分析模型圖提出設計構想，去除保溫杯一些不必要的結構，使得保溫杯的結構更加簡潔，操作更加簡單。再通過改變打開內蓋和杯蓋的方式，使得操作更加簡單，例如采用按鍵彈開的打開方式。

2.系統因果鏈分析。針對上述建立的功能模型，根據問題表象在模型上確定直接相關的沖突區域（尋找設計痛點），運用TRIZ理論中系統因果分析進行下一步的設計進程。所謂系統因果分析是以發展變化的因果為依據，抓住系統發展變化的主要矛盾與次要矛盾（內因和外因）的相互關系[4]。

本次因果分析采用的是因果鏈分析又叫故障樹分析，在分析保溫杯各單元的過程中，找出根本原因和結果之間存在的一系列因果關系，構成了多條因果鏈關系[5]。本次因果鏈分析的主要目的首先是發現問題產生的根本原因;尋找解決問題的“薄弱點”;最終為解決問題尋找入手點。因果鏈分析圖如下圖2所示。

從發現的現有問題“溫度過高”、“冷卻時間長”、“單獨內膽”、“單一保溫”、“打開方式”、“溫度適宜”出發，列出邏輯第一層的直接原因。將第一層發現問題的每個原因和結果用箭頭相互連接，箭頭從直接原因指向對應結果，就整體構了成完整的因果鏈。以這些直接原因為結果在此次循環實施以上步驟，分別找出“溫度”、“時間”、“結構”、“材料”、“功能”、“使用方式”、“使用心理”這些原因。

找出關鍵問題：121，111+211，211，221，21+231，21+311，21+321，211+311，23+221。保溫杯單獨的內膽就直接導致杯內水的溫度是趨于穩定的，單一的保溫作用也導致了保溫杯內剛接的水溫度過高，飲用困難的問題。簡單分析因果鏈可得，既可以從保溫杯的結構方面、保溫杯內膽的材料、水的冷卻的時間等方面著手解決問題。

3.系統九屏幕分析。九屏幕法或多屏幕法是TRIZ理論中典型的“系統思維”方法，是對整體情境進行考慮，要求是不僅考慮當前的情境，還需要考慮它們在系統層次和時間上情境的變化。九屏幕法又稱系統算子，是處理動態影像的具體方法[6]。最常見的多屏幕法一共包含九個屏幕，即具有兩條坐標軸線：縱向為系統層次，其中包括子系統、系統和超系統三個層次;橫向為時間，核心關注保溫杯的過去，現在和未來。時間線以可調溫保溫杯為思維發散點，追溯到“過去”的普通傳統保溫杯，再到“未來”的智能新型保溫杯。

傳統保溫杯保持水溫的工具，當下研究的可調溫保溫杯是可以調節水溫的工具。未來智能保溫杯具有更先進的材料，以達到智能控溫的功能，具體如圖3所示。根據九屏幕法分析得出，可調溫保溫杯設計需運用較為成熟的技術，通過各種結構與零件的相互配合來達到調節水溫的目的。

（二）問題的解決方法

如前所述，TRIZ理論認為“矛盾是發明問題的核心”，但是當我們面對一個具體的發明創造問題時矛盾不會自己顯現出來。矛盾分析——也即如何準確合理地將研究問題中的矛盾提取出來，將多樣化的問題轉化成典型通用的問題[7]。在解決本研究問題之時，就應用矛盾分析法就行對應的探究。

1.技術矛盾解決問題。TRIZ理論將矛盾分為兩類，第一類稱為技術矛盾，與之對應的另一種矛盾稱為物理矛盾[8]。TRIZ理論從大量的發明方案中總結并提煉出解決矛盾的40個發明原理，這四十個發明原理是基于大量可行的解決矛盾原理精煉而來，能夠指導本次可調溫保溫杯產品的設計實施。

首先通過本文第二部分的描述與分析，總結定義現有可知技術矛盾：如果為了使保溫杯能夠適應擁有儲存不同溫度的飲用水的要求，就需要增加保溫杯儲水內膽數量，增加系統組件;如果系統的組件增加，會導致系統的復雜性增加;如果增加組件，會導致與原系統的操作方式不同，系統的可操作性會受到影響。

其次根據發明原理流程，查找矛盾矩陣確定功能工程參數描述。

改善的參數為：No.35適用性和通用性。惡化的參數為：No.33可操作性、No.36系統的復雜性。通過查詢矛盾矩陣圖表，得知此問題可能的解集是M35-33=[34，15，1，16]和M35-36=[29，15，28，37]共計七個發明創新原理。上述七個發明原理分別是1分割原理、15動態性原理、16不足或過量作用原理、28替換機械系統原理、29氣壓或液壓原理、34拋棄與再生原理和37熱膨脹原理。從設計需求出發結合以上得出的原理分析可知，較為適用的發明原理以及基于此原理得到的設計構思為以下四種。

分割原理：將保溫杯的某些系統組件進行分離，實現儲存不同溫度飲用水功能要求;將保溫杯剖析成可拆卸組裝的系統，在增加系統適應性的同時，也保證了系統所要求的簡潔性。動態性原理：將保溫杯的某些組件（如內膽和內杯蓋）設計成雙層，并同時支持兩層組件相互移動;增加一個調節系統，并讓增加的系統能夠調整飲用水的流出方式。替換機械系統原理：利用磁場或電場代替現有保溫杯的機械場，提高保溫杯的保溫功能，增加調溫功能;將保溫杯內膽改為的電場可控的組件，并可在電場作用下達到保溫與調節水溫的目的。不足或過量作用原理：局部增加保溫杯儲水組件的數量，增加儲水內膽的形式數量;增加保溫杯內飲用水與外界環境接觸的面積，使散熱面積增大，加快冷卻速度。

2.物-場模型解決問題。物-場模型是指當兩個原件發生相互作用時，需要分析每個技術系統的“結構屬性”[9]。本次研究的物一場模型問題描述：剛接入杯內的開水由于溫度太高不能立刻飲用，只能等到水的溫度慢慢下降之后才可飲用，這就產生了一個非常不方便的使用問題。

建立物-場模型如圖4所示。

解決方法：增加另外一個場F2來抵消保溫杯對飲用水溫度控制的過度效應如圖5所示。

提出設計方案：通過將內膽分成兩部分的方法，一部分儲存熱水，另外一部分儲存涼水。飲用時將兩者混合即可達到抵消過度效應。

（三）最終理想解

研究最后階段即是匯總概念方案，梳理研究前期問題分析和解決過程中的多種方案，從可調溫保溫杯產品的成本高低、可靠性高低以及產品實現的難以程度三個方向進行方案評估。根據選定的最佳方案用犀牛軟件進行模型的建立，將制作好的模型文件置入渲染軟件中進行渲染處理，得到最終的理想解效果圖。形成的可調溫保溫杯旋轉調溫部件細節如圖6，使用場景如圖7。

通過分析與解決問題，設計出以上可調溫保溫杯。解決了普通保溫杯剛開始盛接熱水不能立刻飲用的設計痛點。產品的具體原理是從結構設計出發，將保溫杯內膽只作為兩半。在盛接飲用水的時候于一邊接熱水另外一邊接常溫水即可，具體的調節方式為杯蓋經過機械結構設計，在杯口倒出水時旋轉旋鈕就可達到調節出水配比?；赥RIZ理論下的設計探究，使可調溫保溫杯產品創新設計更為簡易，產品結構簡單制造成本大大降低。此設計便于攜帶，提高了保溫杯的適用性。

結論

本文通過市場現有相似功能可調溫保溫杯進行調研分析，尋找新型產品設計切入點。首先綜合三種問題描述與分析方法，為后續解決問題做充足的思維發散。其后在解決問題階段，利用矛盾分析法和物與場架構模型法得到解決問題的最佳方案。摒棄了市面上同類可調溫保溫杯的設計思路，運用TRIZ理論創造性的將保溫杯設計為兩個內膽分別盛裝冷熱溫度的飲用水，依靠杯蓋機械裝置進行杯中水溫度的調節以達到調溫的目的。本文按照設計理論流程探究產品創新方案，可為其同類型產品的開發研究提供借鑒價值。

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