基于TRIZ理論的空氣凈化器優化設計

摘 要：本文對空氣凈化器進行優化設計研究，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個創新發明原理和S-F物場法對空氣凈化器進行創新優化設計。優化后的空氣凈化器噪音明顯減小，提高了用戶室內地面空間利用率，生產后投入市場，提高了用戶滿意度。研究發現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的優化設計流程可為相關行業研發設計人員提供一定的思路。

關鍵詞：TRIZ；空氣凈化器；問題分析；優化設計

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

近年來，隨著經濟快速發展，我國工業化、城鎮化進程加快，大氣污染物的排放總量長年居高，空氣質量指數下降，大氣污染成為難以避免的嚴重問題。我們處在一個由霧霾、汽車尾氣、二手煙、寵物毛屑、花粉、甲醛等各類化學物質污染的環境中，環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、乳腺癌以及肺結核等疾病致死的人數，遠遠少于因空氣污染致死的人數。據有關部門監測，室內污染物的種類已經超過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，待在室內的時間占人一生時間的90%左右。由此可見，室內空間的空氣質量優良程度將與人的身體健康息息相關，如果室內空氣質量指數太低，很可能會引發癌癥、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，這對世界各國的衛生組織提出了嚴峻考驗。人們在經歷這次疫情之后，對空氣凈化、空氣消毒除菌的認識更加深刻，這也將對該類產品今后的市場產生積極影響。由此可見，研究室內空氣凈化技術顯得極其重要，因此對空氣凈化產品的設計研究有著長遠的意義。

一、空氣凈化器設計現狀

國內市場上的空氣凈化器產品雖琳瑯滿目，但主要走中低端路線，高端產品卻比較匱乏。生產模式較為單一，空氣凈化器的形式和功能趨于同質化，沒有體現出品牌影響力和設計特色，缺乏品牌核心競爭力，無法滿足未來人們對新產品期望。同時空氣凈化相關技術研發停滯不前，空氣凈化器的質量、功能、性能等方面都相對較低。但整體趨勢是隨著經濟水平的發展越來越好。市場對高端空氣凈化器產品的需求越來越大，當前在對空氣凈化器進行設計和生產時，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品進行創新設計研究[2]4。

本企業在對市場和用戶做了充分調查后，創新研發設計了一款集空氣消毒、空氣凈化、室內供氧、加濕功能一身的多功能型空氣凈化器產品。但在對該款空氣凈化器進行測試時，發現產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，調節三檔風速，制氧模塊關閉，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：體驗人群使用產品后反饋指出，產品尺寸雖然只有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化設計，研發設計出更加人性化的凈化產品，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”，中文稱作發明問題的解決理論。它是由前蘇聯發明家阿奇舒勒及其團隊，在19世紀中葉，通過分析世界各國近300萬份發明專利，歸納和總結這些知識之間的聯系和規律，總結出的創新發明方法。TRIZ集解決問題、開發策略、最大化價值為一體，有利于產品開發工作人員進行技術改進、系統創新[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化設計。

（一）空氣凈化器產品問題分析

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、離心風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生。由于離心風機工作時，氣體流速非常快，因此必然會產生較大的氣動噪聲，氣動噪聲主要分為旋轉噪聲和渦流噪聲兩類。

對空氣凈化器產品問題進行充分觀察、分析后，可以得到如下結論：

制氧模組噪音：壓縮機活塞氣缸的聲音、散熱軸流風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：風輪噪音、電機噪音。

產品占用空間問題：產品尺寸本就緊湊，如要不占用更多的空間，就得縮小產品各部件體積，但產品出風流量和凈化效率就會降低；尺寸大，出風流量和凈化效率就較高。用戶既希望產品尺寸足夠大，保證運行效率，又想產品足夠小，不占用空間，這構成了一對物理矛盾。

（二）標準問題及對應發明原理

根據產品存在的問題類型（如表1），可以采用TRIZ理論對應的創新發明原理進行解構、分析、解決[3]5。

1.產品占用空間的問題：既要產品足夠大，滿足運行性能所需，又要產品足夠小滿足客戶要求。這顯然是一對物理矛盾，可以對應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。

根據空間分離原理獲得創新解：利用空間分離的方法，將產品設計為壁掛式，與地面在空間維度上分開，增加地面的利用率的同時，不影響產品的擺放和工作。

2.制氧模組噪音可轉換為標準問題，對應39個工程技術參數，采用40個發明原理進行解決問題。

如表1所示，根據對應的發明原理，選擇最易實現和操作的原理解決當前問題：

其中壓縮機氣缸的聲音屬于制造技術問題且難以從內部解決，對應表格標準解，可運用抽取原理，從外部解決該問題。即從對象中抽取出產生負面影響的部分或屬性，將壓縮機部件整體抽取出來，獨立組成一個模塊。結合空間分離原理，將其放置于室外空間，與室內空間相分離，從而隔離其工作運行噪音，同時解決了散熱軸流風輪的噪音問題[4]。

壓縮機進氣口的噪音，根據標準問題對應的局部特性原理，將對象、環境或外部作用的均勻結構變為不均勻結構。將原本單一均勻的進氣管道的進氣口端，進行局部設計和特殊處理。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：風輪噪音、電機噪音，可運用S-F物場模型進行分析，尋找對應解。如圖2是S-F物場有害效應的模型，S2通過F作用于S1時同時產生了有害的或是不想得到的[5]。

電機和風輪噪音一起產生，因此需要進行整體分析。根據物場模型理論建立電機－風輪的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），尋找問題產生的原因及解決方法[6]。

如圖4所示，對風輪的噪音來源需要進行因果－功能鏈分析。風輪噪音是由于轉動的風輪和空氣相互拍打作用產生。轉動的風輪系統是由電機帶動風輪形成；風輪由于旋轉軸轉動風葉形成；振動的風葉由于質量分布不均的風葉造成；而造成風葉質量不均是不規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上面，找到噪音形成的最根本原因。

根據因果－功能分析鏈圖分析，可知噪音產生的最終原因來自模具和材料的特性，因其導致風輪整體的質量分布不均，振動造成位移偏差，旋轉時偏差振動產生的噪音。對于模具和鑄件材料本身的精度工藝技術，現階段無法快速進化升級。因此，須退一步解決問題。

風輪在圍繞其軸線旋轉時，由于相對于軸線的質量分布不均勻而產生離心力。這種不平衡離心力作用在轉子軸承上會引起振動，產生噪聲和加速軸承磨損，這也會嚴重影響產品的性能和壽命。

根據S-F物場模型的分析，要解決對應的此類問題，需查找對應的標準解類別尋找問題的求解方法。

在經典TRIZ中，S-F物場標準解被分成了五級（五類），每一級別下面包含若干的標準解，共有76個標準解。

第一級：基本物場模型的標準解，物場建立與破壞的13條標準解法。

第二級：強化物場模型的標準解，增加柔性和移動性的23條標準解法。

第三級：向雙、多級系統和微觀系統轉換的標準解，即向超系統和微觀系統級轉化的6條標準解。

第四級：測量與檢測的標準解，共17條標準解法。

第五級：簡化與改善策略標準解，引入物質或場（也叫實施標準解的標準）的17條標準解法。

風輪的S-F物場模型屬于既有用又有害的物場模型。風輪轉動帶出空氣增加空氣流速，但是轉動的同時也產生了噪音，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生有害功能的模型，需要向多物質合成系統轉換，即運用第五級的相應標準解法，引入新物質或新場。

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

將風輪放在平衡機上做模擬實驗。根據平衡機測出的數據，可知風輪的質量分布不均衡點，計算出不平衡量。通過給風輪風葉添加質量塊的方式，對風輪的不平衡量進行校正，改善風輪相對于旋轉軸線的質量分布，使轉子旋轉時產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。

如圖6所示，調節風輪的動平衡。調節后的風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，調節三檔風速在43-55db左右，有效地降低了空氣凈化器的噪音。

三、空氣凈化器優化設計及系統解決方案

（一）空氣凈化器優化設計

運用TRIZ理論，對現有產品不足之處進行優化設計后，得到了最終的創新設計方案。

如圖7所示，改進后的空氣凈化器運行噪音更小，舒適怡人。創新性的室內外分體式設計與壁掛式設計，不僅有效隔絕制氧模組的噪音問題，還完美解決了室內地面空間占用、老人小孩安全隱患的問題。不占用地面的空間，讓家里環境看起來更大，這極大利用了室內空間，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。經制氧模組抽離出氧氣輸送到室內空氣凈化器，通過風道出口吹出，實現富氧功能。室內機將有限室內空間的空氣循環凈化，并且通過高能離子對空氣中病菌進行殺滅和沉降，實現消毒和凈化功能。如此循環凈化，能持續為用戶帶來新鮮、純凈空氣。凈化原理如圖8所示。

（二）空氣凈化創新系統解決方案

通過對空氣凈化器系統的分析和新風系統的優劣調查，筆者團隊提出一種創新性的空氣凈化系統解決方案，即“新”新風系統。

“新”新風系統由室內機和室外機模塊組合而成：一臺中央氧源，多臺室內凈化終端機。我們將其稱為“1+N”的空氣凈化系統，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。

如圖9所示，一臺中央氧源，可同時為多臺室內凈化機輸送氧氣?？筛鶕覂瓤臻g和數量，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。室內機循環消毒空氣、凈化空氣，達到室內空氣質量最優，持續為用戶提供富氧、潔凈的新鮮空氣。

該系統不僅適合一般家庭用戶的凈化需求，同樣適用于商用領域，例如養生會所、學校教室、寫字樓辦公室等。創新性的“1+N系統”，開啟了新風、凈化系統的“新革命”，因此將它命名為“新”新風系統。

四、結語

本文通過對企業現有空氣凈化器產品存在的不足之處進行問題分析，以TRIZ理論的40個發明原理和S-F物場理論為依據，解決了現有產品在噪音和空間上存在的問題，研發設計出了一款新型的空氣凈化器。并提出一個基于室內多空間空氣凈化的系統解決方案，為空氣凈化和新風行業迎來了室內空氣凈化的“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個發明原理、S-F物場分析、技術系統凈化法則等都具有相當大的研究價值，產品研發設計人員可充分學習和利用該工具，這將對產品開發工作大有裨益。

參考文獻：

[1]蘇美先.空氣凈化器的研究和設計[D].廣州：廣東工業大學，2014.

[2]齊斌.空氣凈化器的智能化設計研究[D].北京：北方工業大學，2019.

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

[4]嚴斌，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計[J].林業機械與木工設備，2018（7）：38-42.

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

[6]劉曉敏，黃水平，王建輝，林貴杰.基于TRIZ及功能類比的產品概念設計創新[J].機械工程學報，2016（23）：34-42.

[7]馬懷宇，孟明辰.基于TRIZ/QFD/FA的產品概念設計過程模型[J].清華大學學報（自然科學版），2001（11）：56-59.

作者簡介：

李煒烙，碩士，貴陽幼兒師范高等?？茖W校助教。研究方向：TRIZ理論及方法、產品創新設計。

楊勤，碩士，貴州大學機械工程學院教授。研究方向：工業設計理論及方法、產品創新設計。

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：機械設計。