基于TRIZ理论的空气净化器优化设计

摘 要：本文对空气净化器进行优化设计研究，旨在运用TRIZ理论对一款多功能型空气净化器进行问题分析，通过40个创新发明原理和S-F物场法对空气净化器进行创新优化设计。优化后的空气净化器噪音明显减小，提高了用户室内地面空间利用率，生产后投入市场，提高了用户满意度。研究发现TRIZ理论中包含很多问题分析和解决问题的方法，既可分析问题，也是很好的解决问题工具。运用TRIZ的优化设计流程可为相关行业研发设计人员提供一定的思路。

关键词：TRIZ；空气净化器；问题分析；优化设计

基金项目：本文系贵州省科技厅基础研究计划项目（黔科合LH字[2017]7232）阶段性研究成果。

近年来，随着经济快速发展，我国工业化、城镇化进程加快，大气污染物的排放总量长年居高，空气质量指数下降，大气污染成为难以避免的严重问题。我们处在一个由雾霾、汽车尾气、二手烟、宠物毛屑、花粉、甲醛等各类化学物质污染的环境中，环境污染就像慢性毒药正慢慢侵袭我们的健康[1]。

全球每年因艾滋病、疟疾、乳腺癌以及肺结核等疾病致死的人数，远远少于因空气污染致死的人数。据有关部门监测，室内污染物的种类已经超过300多种，这简直让人不敢想象。人们除了少部分时间待在室外，待在室内的时间占人一生时间的90%左右。由此可见，室内空间的空气质量优良程度将与人的身体健康息息相关，如果室内空气质量指数太低，很可能会引发癌症、呼吸道感染等疾病[2]3。

2019年末，新冠肺炎这只黑天鹅席卷全球，这对世界各国的卫生组织提出了严峻考验。人们在经历这次疫情之后，对空气净化、空气消毒除菌的认识更加深刻，这也将对该类产品今后的市场产生积极影响。由此可见，研究室内空气净化技术显得极其重要，因此对空气净化产品的设计研究有着长远的意义。

一、空气净化器设计现状

国内市场上的空气净化器产品虽琳琅满目，但主要走中低端路线，高端产品却比较匮乏。生产模式较为单一，空气净化器的形式和功能趋于同质化，没有体现出品牌影响力和设计特色，缺乏品牌核心竞争力，无法满足未来人们对新产品期望。同时空气净化相关技术研发停滞不前，空气净化器的质量、功能、性能等方面都相对较低。但整体趋势是随着经济水平的发展越来越好。市场对高端空气净化器产品的需求越来越大，当前在对空气净化器进行设计和生产时，单一性地考虑满足用户的基本需求，而忽略了用户的深层次的隐性需求及兴奋需求，因此需要对空气净化器产品进行创新设计研究[2]4。

本企业在对市场和用户做了充分调查后，创新研发设计了一款集空气消毒、空气净化、室内供氧、加湿功能一身的多功能型空气净化器产品。但在对该款空气净化器进行测试时，发现产品在某些方面存在一定问题：

（一）噪音：单独打开空气净化器净化功能，调节三档风速，制氧模块关闭，噪音50-68db，噪音较大。睡眠模式：噪音37-45db，噪音较大。开启制氧模式：噪音达到63-70db，直接影响用户使用体验。

（二）空间：体验人群使用产品后反馈指出，产品尺寸虽然只有330*330*990mm，但是对于家里空间本就紧凑的使用人群来说，仍会占用一定室内面积和空间。如果用户家里有老人和小孩，或许会带来安全隐患。

因此需要对空气净化器在噪音和占用面积方面进行优化设计，研发设计出更加人性化的净化产品，更好地提升用户体验。

二、问题分析及解决方案

TRIZ是俄文的缩写，英文译文为“Theory of Inventive Problem Solving”，中文称作发明问题的解决理论。它是由前苏联发明家阿奇舒勒及其团队，在19世纪中叶，通过分析世界各国近300万份发明专利，归纳和总结这些知识之间的联系和规律，总结出的创新发明方法。TRIZ集解决问题、开发策略、最大化价值为一体，有利于产品开发工作人员进行技术改进、系统创新[3]3。本文主要运用其中的矛盾矩阵、S-F物场分析、因果链分析等方法对空气净化器进行优化设计。

（一）空气净化器产品问题分析

空气净化器其噪声主要来源有两类：机械噪声和空气动力噪声。

机械噪声是由加工工艺方面缺陷引起的，由轴承噪声、转子不平衡、壳体振动等引起。这些缺陷可以通过机械加工技术、离心风机进料检测以及装配工艺加以控制。

空气动力噪声是由于气体流动时，气体本身相互摩擦或气体与壳体相互碰撞的摩擦作用产生。由于离心风机工作时，气体流速非常快，因此必然会产生较大的气动噪声，气动噪声主要分为旋转噪声和涡流噪声两类。

对空气净化器产品问题进行充分观察、分析后，可以得到如下结论：

制氧模组噪音：压缩机活塞气缸的声音、散热轴流风轮与空气摩擦的声音、进气口的空气流动声音、排氮口排气噪音。

净化模组噪音：风轮噪音、电机噪音。

产品占用空间问题：产品尺寸本就紧凑，如要不占用更多的空间，就得缩小产品各部件体积，但产品出风流量和净化效率就会降低；尺寸大，出风流量和净化效率就较高。用户既希望产品尺寸足够大，保证运行效率，又想产品足够小，不占用空间，这构成了一对物理矛盾。

（二）标准问题及对应发明原理

根据产品存在的问题类型（如表1），可以采用TRIZ理论对应的创新发明原理进行解构、分析、解决[3]5。

1.产品占用空间的问题：既要产品足够大，满足运行性能所需，又要产品足够小满足客户要求。这显然是一对物理矛盾，可以对应TRIZ理论的四个分离原理：时间分离、空间分离、条件分离、整体与部分分离。

根据空间分离原理获得创新解：利用空间分离的方法，将产品设计为壁挂式，与地面在空间维度上分开，增加地面的利用率的同时，不影响产品的摆放和工作。

2.制氧模组噪音可转换为标准问题，对应39个工程技术参数，采用40个发明原理进行解决问题。

如表1所示，根据对应的发明原理，选择最易实现和操作的原理解决当前问题：

其中压缩机气缸的声音属于制造技术问题且难以从内部解决，对应表格标准解，可运用抽取原理，从外部解决该问题。即从对象中抽取出产生负面影响的部分或属性，将压缩机部件整体抽取出来，独立组成一个模块。结合空间分离原理，将其放置于室外空间，与室内空间相分离，从而隔离其工作运行噪音，同时解决了散热轴流风轮的噪音问题[4]。

压缩机进气口的噪音，根据标准问题对应的局部特性原理，将对象、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀结构。将原本单一均匀的进气管道的进气口端，进行局部设计和特殊处理。采用增大空间减缓吸入空气的流速，并将压缩机吸气口与空气进气口错位，避免气流直接对流吸入，增大进气腔的方法解决问题（如图1）。

3.净化模组噪音：风轮噪音、电机噪音，可运用S-F物场模型进行分析，寻找对应解。如图2是S-F物场有害效应的模型，S2通过F作用于S1时同时产生了有害的或是不想得到的[5]。

电机和风轮噪音一起产生，因此需要进行整体分析。根据物场模型理论建立电机－风轮的S-F物场分析模型（如图3），并建立因果－功能分析模型（如图4），寻找问题产生的原因及解决方法[6]。

如图4所示，对风轮的噪音来源需要进行因果－功能链分析。风轮噪音是由于转动的风轮和空气相互拍打作用产生。转动的风轮系统是由电机带动风轮形成；风轮由于旋转轴转动风叶形成；振动的风叶由于质量分布不均的风叶造成；而造成风叶质量不均是不规则的模具和材料造成；最后追溯到模具制造的材料工艺和铸件材料的性质上面，找到噪音形成的最根本原因。

根据因果－功能分析链图分析，可知噪音产生的最终原因来自模具和材料的特性，因其导致风轮整体的质量分布不均，振动造成位移偏差，旋转时偏差振动产生的噪音。对于模具和铸件材料本身的精度工艺技术，现阶段无法快速进化升级。因此，须退一步解决问题。

风轮在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，这也会严重影响产品的性能和寿命。

根据S-F物场模型的分析，要解决对应的此类问题，需查找对应的标准解类别寻找问题的求解方法。

在经典TRIZ中，S-F物场标准解被分成了五级（五类），每一级别下面包含若干的标准解，共有76个标准解。

第一级：基本物场模型的标准解，物场建立与破坏的13条标准解法。

第二级：强化物场模型的标准解，增加柔性和移动性的23条标准解法。

第三级：向双、多级系统和微观系统转换的标准解，即向超系统和微观系统级转化的6条标准解。

第四级：测量与检测的标准解，共17条标准解法。

第五级：简化与改善策略标准解，引入物质或场（也叫实施标准解的标准）的17条标准解法。

风轮的S-F物场模型属于既有用又有害的物场模型。风轮转动带出空气增加空气流速，但是转动的同时也产生了噪音，噪音并不是我们想要的效果。这是完整但物场元素彼此又产生有害功能的模型，需要向多物质合成系统转换，即运用第五级的相应标准解法，引入新物质或新场。

根据物场原理（如图5），在物场模型中引入第三个物质S3，利用S3的重力场去改变风轮质量分布不均的问题，可得到有效有用的物场模型[7]。

将风轮放在平衡机上做模拟实验。根据平衡机测出的数据，可知风轮的质量分布不均衡点，计算出不平衡量。通过给风轮风叶添加质量块的方式，对风轮的不平衡量进行校正，改善风轮相对于旋转轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到最小的范围之内。

如图6所示，调节风轮的动平衡。调节后的风轮再装配到空气净化器后，空气净化器的噪音降低了10-13分贝。并且睡眠模式在27-33db左右，调节三档风速在43-55db左右，有效地降低了空气净化器的噪音。

三、空气净化器优化设计及系统解决方案

（一）空气净化器优化设计

运用TRIZ理论，对现有产品不足之处进行优化设计后，得到了最终的创新设计方案。

如图7所示，改进后的空气净化器运行噪音更小，舒适怡人。创新性的室内外分体式设计与壁挂式设计，不仅有效隔绝制氧模组的噪音问题，还完美解决了室内地面空间占用、老人小孩安全隐患的问题。不占用地面的空间，让家里环境看起来更大，这极大利用了室内空间，提高了用户满意度，为推向市场做了很好的铺垫。同时，壁挂式的空气净化器更加安全，能够避免家里有小孩因为好奇心去触碰电器，保障用户和其家人的安全。

如图7所示，室外机将室外空气进行初步过滤。经制氧模组抽离出氧气输送到室内空气净化器，通过风道出口吹出，实现富氧功能。室内机将有限室内空间的空气循环净化，并且通过高能离子对空气中病菌进行杀灭和沉降，实现消毒和净化功能。如此循环净化，能持续为用户带来新鲜、纯净空气。净化原理如图8所示。

（二）空气净化创新系统解决方案

通过对空气净化器系统的分析和新风系统的优劣调查，笔者团队提出一种创新性的空气净化系统解决方案，即“新”新风系统。

“新”新风系统由室内机和室外机模块组合而成：一台中央氧源，多台室内净化终端机。我们将其称为“1+N”的空气净化系统，即将空气制氧、空气净化、空气消毒集成于一体的新型空气净化系统。

如图9所示，一台中央氧源，可同时为多台室内净化机输送氧气。可根据室内空间和数量，分别选择3L、12L、20L或个性定制室外制氧模组机，能满足不同用户群体多方位的需求。室内机循环消毒空气、净化空气，达到室内空气质量最优，持续为用户提供富氧、洁净的新鲜空气。

该系统不仅适合一般家庭用户的净化需求，同样适用于商用领域，例如养生会所、学校教室、写字楼办公室等。创新性的“1+N系统”，开启了新风、净化系统的“新革命”，因此将它命名为“新”新风系统。

四、结语

本文通过对企业现有空气净化器产品存在的不足之处进行问题分析，以TRIZ理论的40个发明原理和S-F物场理论为依据，解决了现有产品在噪音和空间上存在的问题，研发设计出了一款新型的空气净化器。并提出一个基于室内多空间空气净化的系统解决方案，为空气净化和新风行业迎来了室内空气净化的“新革命”。TRIZ理论是集分析问题工具和解决问题工具于一体的理论，其40个发明原理、S-F物场分析、技术系统净化法则等都具有相当大的研究价值，产品研发设计人员可充分学习和利用该工具，这将对产品开发工作大有裨益。

参考文献：

[1]苏美先.空气净化器的研究和设计[D].广州：广东工业大学，2014.

[2]齐斌.空气净化器的智能化设计研究[D].北京：北方工业大学，2019.

[3]罗仕鉴，单萍，徐菲，等.基于行为动态仿生的产品设计方法研究[J].机械设计，2019（8）：110-114.

[4]严斌，李进朝，庄逸锋，郭艳玲.基于TRIZ理论研究的自动空气净化器设计[J].林业机械与木工设备，2018（7）：38-42.

[5]檀润华，王庆禹，苑彩云，段国林.发明问题解决理论：TRIZ——TRIZ过程、工具及发展趋势[J].机械设计，2001（7）：7-12.

[6]刘晓敏，黄水平，王建辉，林贵杰.基于TRIZ及功能类比的产品概念设计创新[J].机械工程学报，2016（23）：34-42.

[7]马怀宇，孟明辰.基于TRIZ/QFD/FA的产品概念设计过程模型[J].清华大学学报（自然科学版），2001（11）：56-59.

作者简介：

李炜烙，硕士，贵阳幼儿师范高等专科学校助教。研究方向：TRIZ理论及方法、产品创新设计。

杨勤，硕士，贵州大学机械工程学院教授。研究方向：工业设计理论及方法、产品创新设计。

王东君，贵州全世通精密机械科技有限公司高级工程师。研究方向：机械设计。