基于TRIZ創新的高性能烘干晾衣機設計

李澤軍 倪俊 王琳 范凱歡 李元鳳

摘要：為解決電動晾衣機烘干效率低和干衣數量少的問題。基于TRIZ創新理論，開展了電動晾衣機的創新設計。通過系統功能模型圖與因果分析得出現有電動晾衣機烘干效率低和干衣數量少根本原因，并綜合運用系統裁剪、物-場模型及標準解和技術矛盾等方法，設計出全新的高性能晾衣機，通過對成本、可行性和可靠性的分析，確定了最終方案，得到量產方案和專利布局。?使用TRIZ創新理論可優化現有設計方法，提供問題定義分析求解的思路，形成有效的系統化設計，為電動晾衣機的創新設計提供參考。

關鍵詞：TRIZ創新?電動晾衣機?產品設計?家用電器

中圖分類號：TP391.44;TN929.5;TB472

Design?of?High-Performance?Electric?Drying?Racks?Based?on?the?TRIZ

LI?Zejun1，2??NI?Jun2*??WANG?Lin2??FAN?Kaihuan2??LI?Yuanfeng2

1.School?of?Industrial?Design，?Hubei?University?of?Technology，?Wuhan，?Hubei?Province，?430068?China;2.Zhejiang?Hooeasy?Technology?Co.，?Ltd.，?Jinhua，?Zhejiang?Province，?321015?China

Abstract：In?order?to?solve?the?problem?of?the?low?drying?efficiency?and?small?drying?quantity?of?electric?drying?racks，?based?on?the?TRIZ，?the?innovative?design?of?electric?drying?racks?is?carried?out.?Through?the?functional?model?diagram?of?the?system?and?cause-and-effect?analysis，?the?root?causes?of?the?low?drying?efficiency?and?small?drying?quantity?of?existing?electric?drying?racks?are?obtained，?and?a?new?high-performance?rack?is?designed?by?comprehensively?using?the?methods?of?system?cutting，?the?material-field?model，?standard?solution?and?technical?contradiction.?The?final?scheme?is?determined?by?analyzing?costs，?feasibility?and?reliability，?and?the?mass?production?plan?and?patent?layout?are?obtained.?The?use?of?the?TRIZ?can?optimize?existing?design?methods，?provide?ideas?for?problem-defining?analysis?and?solving，?and?form?effective?systematic?design，?so?as?to?provide?references?for?the?innovative?design?of?electric?drying?racks.

Key?Words：TRIZ;?Electric?drying?rack;?Product?design;?Household?appliance

TRIZ理論是由前蘇聯發明家阿奇舒勒創立的一種基于專利創新理論方法，逐漸成為科學家、發明家以及工程師解決問題的有力武器[1]。蔣典亨[2]使用TRIZ創新理論，將孕婦裝的用戶需求轉換為孕婦裝的設計要求，消除了孕婦裝原有的弊端，使之最大程度地提高了設計的附加價值，延長了孕婦裝使用時間，節約了服裝資源，為產品設計提供了依據和理論支撐；李奮強[3]等以TRIZ的沖突矩陣和因果鏈分析尋求可行性解決方案，突破相關設計的技術堡壘，設計老人購物車，結合專利的分析規避與TRIZ集成創新方法為系統性的設計提供了一定解題思路；金信琴[4]等采用用戶旅程圖與TRIZ發明原理對廚具進行創新設計，結合人體固定位置上肢活動范圍計算結果進行烹調區廚具的布局設計研究，為廚具產品的設計提供新的思路。

隨著城市化進程的不斷加速，越來越多的人住進了以小區為單位的高層建筑，陽臺便成為了人們日常晾曬的主要場所[5]。電動晾衣機產品作為一個類家用電器的產品，主要集成了陽臺照明、衣物晾曬、紫外線消毒、熱風烘干等功能，但由于產品的同質化現象嚴重，用戶對整個市場中的品牌認知度不高。繆珂[6]以電動晾衣機系列產品開發設計全流程中設計所扮演角色與設計價值構建的實踐過程為例，探索傳統中小企業轉型升級過程中設計參與并發揮價值的路徑與方法，設計了一款電動晾衣機，并在商業市場領域取得了一定的驗證。文中對電商平臺的評價進行分析，得出目前電動晾衣機烘干效率低和干衣數量少的核心問題，運用系統功能模型圖與因果分析尋求產生問題的根本原因，并綜合運用系統裁剪、物-場模型及標準解和技術矛盾等方法，得出多個烘干設計方案，通過對成本、可行性和可靠性的分析，確認最終的方案并進行量產和專利的布局。

1??TRIZ問題模型

1.1?現有技術系統的工作原理

PTC加熱體加熱周圍空氣，通過風機葉輪的旋轉以及風道的導流，如圖1所示，將熱風經系統的出風口移動至懸掛衣物表面，通過熱風蒸發/干燥衣物內部水分，降低衣物含水率從而達到烘干衣物的功能。

1.2?當前技術系統存在的問題

通過選取電動晾衣機品牌邦先生、好太太、太太樂在電商平臺京東、天貓銷量前三的產品，進行差評分析，篩選出100條典型差評進行分析統計，如圖2所示，得出電動晾衣機行業兩個核心技術問題：烘干效率低和干衣數量少。烘干效率低指以200g襯衫為例，烘干區域平均用時120min，如圖3所示；干衣數量少是指受制于出風口尺寸及出風角度，單側晾桿普遍只能有效烘干3件衣物，兩側合計6件，不到晾曬衣物數量的25%（以晾曬24件衣物為準），如圖4所示，針對以上兩個問題，文中利用TRIZ理論來尋求低成本高效益的解決方法。

1.3?系統功能分析

1.3.1?系統組件列表

定義本系統為晾衣機烘干系統降低衣物含水率。作用對象為衣物，得出本系統的組件列表，如表1所示。

1.3.2?系統功能模型圖

對系統各組件之間的相互作用關系進行分析得到系統功能模型圖，如圖5所示。

對系統功能模型圖進行分析，描述系統組件及其之間的相互關系，確定導致問題存在的功能因素，列舉出系統中存在的所有負面功能[7]，負面功能1，PTC加熱體對塑料外殼的加熱——有害作用；負面功能2，周圍空氣對PTC發熱的冷卻——有害作用；負面功能3，葉輪對風道的振動——有害作用；負面功能4，風道對安裝支機的振動——有害作用；負面功能5，安裝支機對外殼的振動——有害作用；負面功能6，PTC發熱體對空氣的加熱——不足作用；負面功能7，葉輪電機對葉輪的旋轉——不足作用；負面功能8，風由進風風道到出風風道的聚集——不足作用；負面功能9，風由出風風道到兩側出風口的傳遞——不足作用；負面功能10，兩側出風口對衣物的定向——不足作用。

1.4?系統因果分析

1.4.1?系統因果分析圖

因果軸分析用于建立問題產生的結果與根本原因之間的邏輯鏈，尋找邏輯鏈中薄弱環節，找出解決問題的切入點[8]。根據系統功能分析圖繪制出系統因果分析圖，如圖6所示。

通過構建系統因果分析圖，確定本系統中導致問題產生的根本原因為，加熱體性能不足、風速不穩定、進風量不足、風道聚集空氣不足、出風口長度過短、缺乏換向裝置。

1.4.2?確定問題突破點

通過開展系統功能分析、因果分析，明確了系統中組件之間的相互關系及存在的負面功能，深入挖掘了問題出現的多層次原因。綜合考慮系統可用資源的基礎上，確定了問題解決的突破點[9]有3點，第一，發熱體加熱空氣不充分，風速不穩定，使得到達衣物表面的風溫不足；第二，風道設計不合理，造成送風距離不足；第三，出風口設計缺陷，導致出風區域范圍不足。

2??運用TRIZ創新解決問題

2.1?系統裁剪

系統裁剪即根據系統需要嘗試將系統中的某組件裁剪，同時把它有用的功能提取出來，讓系統中的其他組件或者超系統去實現這個功能，從而達到降低成本、提高理想度的目的[10]。常見的系統裁剪策略有1唇亡齒寒、2自力更生和3移花接木三個策略[11]。

2.1.1?系統裁剪方案一

運用系統裁剪實施規則3移花接木，裁剪掉PTC加熱體，改用加熱效率更高、體積更小、更穩定的金屬加熱管，改善加熱體對空氣加熱不充分的不足作用，如圖7所示；裁剪后的電動晾衣機系統功能模型圖，如圖8所示。

2.1.2?系統裁剪方案二

運用系統裁剪實施規則2自力更生，裁剪掉安裝支機，其支撐作用直接由外殼完成，降低成本。確定待裁剪元件繪制系統的功能模型圖裁剪方案，如圖9所示；裁剪后的電動晾衣機系統功能模型圖，如圖10所示。

2.2?物-場模型及標準解

阿奇舒勒認為，兩個物體間的作用都可用兩個物質（對象物質S1和工具物質S2）和另一個場的基本模式來描述。在分析某個具體的技術系統時，建立的模型就叫做物-場模型。標準解系統則是對標準發明問題進行求解的工具，阿奇舒勒總結了76個標準解，包括13個一級標準解，23個二級標準解，6個三級標準解，17個四級標準解，17個五級標準解[11]。

針對問題突破點3，運用標準解S1.1.3在物質外部引入附加物，在出風口增加導風擺葉，形成可變換角度的擺葉出風口，得到方案3，如圖11所示，改善出風角度單一、熱風作用范圍小的不足作用，新的物-場模型，如圖12所示。

針對負面功能1，運用標準解S1.2.1在系統的兩個物質間引入外部現成的物質，在外殼與加熱管之間增加一種散熱效果好、耐高溫的金屬隔熱板，得到方案4，如圖13所示，減少加熱管對外殼的加熱作用，避免外殼材料因溫度過高引起熱危險的有害作用，新的物-場模型，如圖14所示。

2.3?技術矛盾解決

2.3.1?技術矛盾

當技術系統的某個工程參數得到改善時，可能會引起另外一個工程參數的惡化，這種情況下存在的矛盾被稱為“技術矛盾”。在本系統中，為了提高系統的出風風速，改善送風距離，可能導致系統的出風溫度惡化，形成了技術矛盾1；為了提高系統風道的風壓，改善送風距離，可能導致系統的出風量惡化，形成技術矛盾2。

2.3.2?矛盾矩陣

通過查詢40個發明原理[11]，選擇技術矛盾參數組合，得到技術矛盾1的矛盾矩陣，如表2所示；技術矛盾2的矛盾矩陣，如表3所示。

2.3.3?概念方案

運用發明原理31.多孔材料原理，產生新的解決方案5，如圖15所示，即在發熱管上采用多層散熱片，增加發熱體接觸空氣表面積，充分加熱的同時，最大程度不影響進風。

運用發明原理2.抽取原理，產生新的解決方案6，如圖16所示，即將烘干系統從主機中抽取出來形成單獨下置烘干模塊，有效解決進風不足的問題。

運用發明原理30.柔性殼體或薄膜結構原理，產生新的解決方案7，即在主機下方增加一個柔性烘干罩，使得局部范圍內形成封閉狀態，加速空氣循環。

運用發明原理14.曲面化原理，產生新的解決方案8，如圖17所示，即風道采用曲面設計，參考空氣動力學，在葉輪離心力方向進行導流，最大程度提高導流效率。

運用發明原理4.不對稱原理，產生新的解決方案9，如圖18所示，即采用離心風機結構，有效解決風道風壓不足的問題。

2.4?物理矛盾解決

為了實現某種功能，對同一對象（或者同一個子系統）的同一個工程參數提出了互斥的要求，即為物理矛盾[12]。在本系統中，為了增加系統送風距離，要求風速要大，與此同時，為了提高到達衣物表面的風溫，要求風速不能太大。因此，本系統中存在對同一參數“風速”的互斥要求，即存在物理矛盾。運用時間分離原理對應的19.周期性動作原理，產生新的解決方案10，即雙模式控制方式，風機采用急速模式和標準模式，急速模式風機100%轉速輸出，標準模式75%轉速輸出。

2.5?系統進化法則及S曲線解決

S曲線是產品生命周期理論的核心部分，在具體應用過程中可以分析判斷產品處于生命周期的哪個階段，推測系統今后的發展趨勢[13]，如圖19所示，并可以根據不同階段的特點和要求，為研發及商業決策提供參考作用。

根據S曲線和系統進化法則，運用提高動態性法則，產生新的概念方案11，即動態烘干控制系統，通過溫濕度傳感器、重量傳感器及全自動控制算法等，實現衣物表面溫濕度及重量的實時動態監測，并按照衣物烘干不同階段自動調節風機轉速、發熱體功率及出風口方向，達到快速烘干的同時能耗最低。

3??方案評價

綜合成本、可行性、可靠性以及作用效果等多個維度，最終采納由“1、2、3、4、5、8、10”所組成的綜合方案，如表4所示，開發了全域擺風的高性能烘干晾衣機，如圖20～圖21所示。

4??結語

文中運用TRIZ創新工具，針對電動晾衣機烘干效率低和干衣數量少的問題，通過系統裁剪、物-場模型及標準解和技術矛盾等方法，結合成本、可行性等多個維度，設計開發了一款高性能烘干晾衣機，通過TRIZ創新方法設計的晾衣機取得了12項相關專利，具體為發明專利5項，CN114320961A?、CN113862975A?、CN112251999B、CN112391817B、CN113818222A；實用新型專利7項，CN215051461U、CN215051462U、CN215058251U、CN216040320U、CN215714116U、CN214655867U?、CN212611547U；同時該方案作為創新項目參加2022中國創新方法大賽浙江賽區決賽榮獲三等獎，進一步驗證了使用TRIZ創新設計電動晾衣機的可行性，同時也可以為相關電動晾衣機設計提供參考，提升行業競爭力。

參考文獻

• [1] 任英麗，常虹.基于F-AHP在坐躺兩用辦公椅設計中的應用研究[J].包裝工程，2022，43（10）：145-151.
• [2] 蔣典亨.基于AHP/TRIZ理論的可拆卸孕婦裝創新設計[J].設計，2023，36（15）：128-131.
• [3] 李奮強，林浩屹.基于TRIZ和專利規避的老人購物車設計[J].設計，2023，36（13）：57-61.
• [4] 金信琴，肖富民，張簡一.基于用戶旅程圖與TRIZ理論的廚具設計研究[J].設計，2023，36（17）：107-111.
• [5] 王文斌.電動晾衣機行業未來發展淺談[J].科技資訊，2019，17（16）：79-80.
• [6] 繆珂.中小企業轉型升級導向的電動晾衣機系列產品設計[J].設計，2020，33（15）：128-130.
• [7] 何劍飛，孫偉棟，侯京森.基于TRIZ理論的平衡軸密封改進設計[J].汽車工藝師，2021（03）：57-60.
• [8] 王成軍，任潤潤，郭永存等.基于TRIZ理論鑄造機器人抓手的設計與分析[J].鑄造技術，2018，39（11）：2533-2536，2540.
• [9] 程虎，夏飛凡.TRIZ理論在顯控臺顯示器支架設計中的應用[J].船電技術，2022，42（11）：39-43.
• [10] 葛慶，汪崟.基于TRIZ理論的變速安全蹺蹺板創新設計[J].設計，2022，35（7）：134-137.
• [11] 姚威，朱凌，韓旭.工程師創新手冊[M].杭州：浙江大學出版社，2015：57.
• [12] 張凱.TRIZ問題解決工具-物理矛盾應用探討[J].科學技術創新，2020（31）：150-151.
• [13] 喬小軍.毛利率分析法在中小企業管理中應用研究[J].現代營銷（經營版），2019（12）：146-147.