基于TRIZ理論的恒溫?zé)岢闉V裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

孫艷文，陳 震，王曉忠，黃振宇，孟瑩瑩

(河北民族師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，河北 承德 067000)

TRIZ(Theory of the Solution of Inventive Prob-terms)理論，全稱發(fā)明問(wèn)題解決理論，是由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒于1946年創(chuàng)立的。阿奇舒勒和他的團(tuán)隊(duì)研究了世界各地250萬(wàn)份高水平專利，總結(jié)出各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規(guī)律模式，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則而建立起來(lái)的一個(gè)由解決技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系。它利用創(chuàng)新的規(guī)律，使創(chuàng)新走出了盲目的、高成本的試錯(cuò)和靈光一現(xiàn)式的偶然。TRIZ工具有很多種，包括九屏幕分析法、最理想解法、小人法、矛盾矩陣、物場(chǎng)分析、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、功能分析法、因果鏈分析，以及ARIZ算法、四大分離原理、40條創(chuàng)新發(fā)明原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解等[1-3]。

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中分離出的固體有機(jī)化合物往往是不純的，其中常夾雜著一些反應(yīng)的副產(chǎn)物、未反應(yīng)的原料及催化劑等。重結(jié)晶是提純這類物質(zhì)的有效方法，在重結(jié)晶操作中，關(guān)鍵步驟之一是熱過(guò)濾，由于常壓熱過(guò)濾操作過(guò)濾速度較慢，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，減壓熱抽濾操作在重結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[4-5]。但是熱抽濾實(shí)驗(yàn)裝置仍存在一些缺陷，很多專利從不同的角度對(duì)熱抽濾裝置進(jìn)行了改進(jìn)[6-8]。使用最廣泛的是對(duì)布氏漏斗進(jìn)行保溫，但是這些設(shè)計(jì)在市面上難以購(gòu)買，成本較高，安全性不高，不能滿足本科生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。因此，希望根據(jù)傳統(tǒng)熱抽濾實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決目前熱抽濾裝置在使用場(chǎng)景中存在的困境，但又不增加過(guò)多繁瑣的操作和儀器設(shè)備。

1 系統(tǒng)及組件的功能分析

功能分析。

熱抽濾裝置的核心部件是濾紙和布氏漏斗。對(duì)其進(jìn)行組件分析如表1所示。系統(tǒng)功能分析如圖1所示。

2 問(wèn)題分析

2.1 因果鏈分析

應(yīng)用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問(wèn)題的根本原因。由圖2可知，熱抽濾裝置主要存在的問(wèn)題有：①布氏漏斗預(yù)熱后溫度較高，存在燙傷的危險(xiǎn)；②熱抽濾過(guò)程中，布氏漏斗溫度降低，待提純物質(zhì)在布氏漏斗中提前析出，重結(jié)晶效率低；③待提純物質(zhì)的熱飽和溶液溫度降低，待提純物質(zhì)提前析出，堵塞濾紙，發(fā)生漏吸，實(shí)驗(yàn)失敗。

表1 熱抽濾裝置系統(tǒng)組件分析

2.2 九屏幕分析法

九屏幕分析法是TRIZ中典型的系統(tǒng)思維方法，可對(duì)情景進(jìn)行整體考慮。從產(chǎn)品層面拆分熱抽濾裝置，當(dāng)前系統(tǒng)是熱抽濾裝置；當(dāng)前系統(tǒng)的未來(lái)是恒溫?zé)岢闉V裝置；在當(dāng)前系統(tǒng)中，使用熱抽濾裝置的主要目的是重結(jié)晶，而超系統(tǒng)的未來(lái)則是在使用時(shí)免去不必要的燙傷和重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)行高純度，高效率的重結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。在改進(jìn)過(guò)程中，保留熱抽濾裝置的基本功能和構(gòu)造，改動(dòng)部分只涉及其子系統(tǒng)的某些部分，這部分還是未知，圖中以問(wèn)號(hào)表示(圖3)。

3 運(yùn)用TRIZ工具解決問(wèn)題

3.1 物場(chǎng)分析

物場(chǎng)分析是TRIZ理論中的一種分析工具，用于建立已存在的系統(tǒng)或新技術(shù)系統(tǒng)的問(wèn)題相聯(lián)系的功能模型。阿奇舒勒認(rèn)為無(wú)論大系統(tǒng)、子系統(tǒng)還是微觀層次都具有功能，所有的功能都可分解為 2 種物質(zhì)和 1 種場(chǎng)(即二元素組成)[3]。熱抽濾裝置可以抽象成一種完整的物—場(chǎng)模型，但是是效應(yīng)不足的完整模型：3個(gè)元素齊全，但功能未有效實(shí)現(xiàn)(圖4)。標(biāo)準(zhǔn)解法是增加物質(zhì)S3來(lái)強(qiáng)化有用的效應(yīng)，S3可以是現(xiàn)成的物質(zhì)，或是S1、S2的變異(圖5)。通過(guò)改變布氏漏斗的結(jié)構(gòu)來(lái)強(qiáng)化技術(shù)系統(tǒng)。

3.2 技術(shù)矛盾分析

針對(duì)問(wèn)題1，降低布氏漏斗溫度，增加布氏漏斗的能量損失，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中布氏漏斗溫度不可控是問(wèn)題1需要重點(diǎn)解決的內(nèi)容。因此，問(wèn)題1中的矛盾沖突對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的22能量損失和17溫度，建立矛盾沖突矩陣如表2所示。結(jié)合7嵌套原理，得到解決方案，即在系統(tǒng)內(nèi)部引入新的物質(zhì)——循環(huán)水。

表2 問(wèn)題1矛盾矩陣查詢結(jié)果

針對(duì)問(wèn)題2，提高待提純物質(zhì)溶液的溫度，減少熱抽濾過(guò)程中待提純物質(zhì)溶液的熱量損失，避免熱抽濾過(guò)程中待提純物質(zhì)提前析出是問(wèn)題2重點(diǎn)解決的內(nèi)容。因此，問(wèn)題2中的矛盾沖突對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的20運(yùn)動(dòng)物體的能量和22能量損失，建立矛盾沖突矩陣如表3所示。結(jié)合24借助中介物原理，得到解決方案，即在布氏漏斗頸部引入活塞，當(dāng)有待提純物質(zhì)析出時(shí)，關(guān)閉活塞，提高溫度，待提純物質(zhì)充分溶解。

表3 問(wèn)題2矛盾矩陣查詢結(jié)果

針對(duì)問(wèn)題3，為了保證實(shí)驗(yàn)的成功率，需要提高濾紙的機(jī)械強(qiáng)度，降低溶劑與濾紙相互作用的時(shí)間，避免濾紙損壞是問(wèn)題3重點(diǎn)解決的內(nèi)容。因此，問(wèn)題3中的矛盾沖突對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的14強(qiáng)度和15運(yùn)動(dòng)物體作用時(shí)間，建立矛盾沖突矩陣如表4所示，結(jié)合26復(fù)制原理，得到解決方案，即系統(tǒng)中引入新的子系統(tǒng)——砂芯，代替濾紙，起過(guò)濾作用。

表4 問(wèn)題3矛盾矩陣查詢結(jié)果

3.3 物理矛盾分析

當(dāng)一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的工程參數(shù)具有相反的需求，就出現(xiàn)了物理矛盾，如要求系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)既要出現(xiàn)又不存在，或既要高又要低，既要大又要小等[1-3]。為了使重結(jié)晶效率高，布氏漏斗中的待提純物質(zhì)不因布氏漏斗溫度降低而提前析出，需要保持較快的過(guò)濾速度；而為了使重結(jié)晶的效率較高，避免漏吸，應(yīng)保持較慢的過(guò)濾速度。以上兩個(gè)問(wèn)題為該物理矛盾出現(xiàn)的主要原因。該矛盾源于重結(jié)晶效率對(duì)過(guò)濾速度的快慢有著不同的要求。為了保證實(shí)驗(yàn)的安全性，應(yīng)使布氏漏斗的溫度較低；而布氏漏斗溫度較低時(shí)，待提純物質(zhì)熱飽和溶液中的待提純物質(zhì)易析出，堵塞濾紙，造成漏吸。以上兩個(gè)問(wèn)題為該物理矛盾出現(xiàn)的主要原因。該矛盾源于熱抽濾操作對(duì)布氏漏斗溫度高低有著不同的要求。

上述物理矛盾可以采用空間分離原理。查詢40條發(fā)明原理可知，與空間分離原理相關(guān)的發(fā)明原理如下所示：分割、抽取、局部對(duì)稱、非對(duì)稱、嵌套、逆向思維、一維變多維、借助中介物、復(fù)制、柔性外殼或薄膜。其中,嵌套、借助中介物、復(fù)制原理可用于解決熱抽濾實(shí)驗(yàn)裝置的物理矛盾，這與技術(shù)矛盾得到的解決方案是一致的。

3.4 最終理想解

TRIZ理論在解決問(wèn)題之初，拋開(kāi)各種客觀限制條件，通過(guò)理想化來(lái)定義問(wèn)題的最終理想，以明確理想解所在的方向和位置，保證在問(wèn)題解決過(guò)程中沿著此目標(biāo)前進(jìn)并獲得最終理想解，從而避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法中缺乏目標(biāo)的弊端，提升了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效率[1-3]，對(duì)想要設(shè)計(jì)的恒溫?zé)岢闉V裝置進(jìn)行最終理想解分析(表5)。

表5 最終理想解分析表

4 技術(shù)方案整理與評(píng)價(jià)

4.1 全部技術(shù)方案及評(píng)價(jià)

方案1：將瓷質(zhì)布氏漏斗的結(jié)構(gòu)改為玻璃中空型，通入循環(huán)水。

方案評(píng)價(jià)：對(duì)布氏漏斗的形狀進(jìn)行了改進(jìn)，當(dāng)待提純物質(zhì)因溫度降低而析出時(shí)，析出物仍會(huì)堵塞濾紙，造成漏吸，實(shí)驗(yàn)失敗。方案不可行。

方案2：用砂芯代替濾紙，起過(guò)濾作用。

方案評(píng)價(jià)：砂芯質(zhì)地堅(jiān)硬，不易損壞，方案可行。

方案3：改進(jìn)布氏漏斗結(jié)構(gòu)，在布氏漏斗頸部引入活塞。

方案評(píng)價(jià)：在布氏漏斗頸部引入活塞，當(dāng)待提純物質(zhì)因溫度降低而析出時(shí)，可關(guān)閉活塞，提高循環(huán)水的溫度，使待提純物質(zhì)充分溶解，實(shí)驗(yàn)的效率和成功率得到提高，方案可行。

4.2 最終確定方案

經(jīng)過(guò)各種方案分析，最終確定改變熱抽濾裝置的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種恒溫?zé)岢闉V裝置，包括：抽濾瓶、恒溫?zé)岢闉V漏斗、橡膠管。其特征在于：所述恒溫?zé)岢闉V漏斗1頸部設(shè)有活塞3，所述恒溫?zé)岢闉V漏斗的內(nèi)壁中設(shè)有過(guò)濾板4、在內(nèi)壁與外壁之間設(shè)有一空腔5；所述空腔的下端設(shè)有進(jìn)水口6，上端設(shè)有出水口7，所述恒溫?zé)岢闉V漏斗的頂端和底端設(shè)計(jì)為磨砂口8，所述恒溫?zé)岢闉V漏斗通過(guò)磨砂口與抽濾瓶10連接，所述抽濾瓶的側(cè)面設(shè)有抽氣管2；所述恒溫?zé)岢闉V漏斗為夾層玻璃漏斗，所述活塞為聚四氟乙烯活塞，所述空腔為夾層玻璃漏斗的內(nèi)壁與外壁之間形成的夾層；所述進(jìn)水口和出水口為中間寬，兩頭窄的葫蘆形結(jié)構(gòu)(圖6)。

本設(shè)計(jì)在使用前，需向帶有空腔的玻璃布氏漏斗中通入所需溫度的循環(huán)水，預(yù)先將布氏漏斗進(jìn)行預(yù)熱，防止待提純物質(zhì)從其熱飽和溶液析出；通過(guò)調(diào)節(jié)布氏漏斗頸部活塞，可調(diào)節(jié)抽濾的速度，使待提純物質(zhì)進(jìn)行多次充分溶解。同時(shí)本設(shè)計(jì)中的起過(guò)濾作用的砂芯質(zhì)地穩(wěn)定，不易破損。因此，本設(shè)計(jì)具有重結(jié)晶效率高特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于TRIZ理論中的系統(tǒng)組件分析、因果鏈分析法、九屏幕分析法等對(duì)傳統(tǒng)熱抽濾裝置進(jìn)行了分析，并找出存在根本問(wèn)題；利用技術(shù)矛盾分析、物理矛盾分析、物場(chǎng)模型分析和最理想解找到上述問(wèn)題的最優(yōu)解決方案。設(shè)計(jì)出了一種具有恒溫功能的熱抽濾裝置，該裝置具有溫度可控、速度可調(diào)、安全可靠的優(yōu)異特點(diǎn)，為TRIZ理論在實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方面的應(yīng)用開(kāi)辟了新的思路。