陳吞 沈劍 楊樂(lè)庭 黃勇 崔懷雷

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

大多數(shù)的生物制品，如疫苗、胰島素、眼藥水、生物制藥、實(shí)驗(yàn)室試劑、血液衍生物等，對(duì)溫度較為敏感。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的報(bào)告指出：一些產(chǎn)品對(duì)熱非常敏感，但又不能冷凍，它們通常保存在冰箱的第一或第二冷藏層，保持2℃～8℃保存。毫無(wú)疑問(wèn)這是對(duì)冷鏈供應(yīng)的巨大挑戰(zhàn)[1]。世界衛(wèi)生組織（WHO）估計(jì)約50%的疫苗無(wú)法給患者正常使用。很多情況下，糖尿病患者自身購(gòu)買(mǎi)胰島素長(zhǎng)時(shí)間保存在冰箱中，依靠溫度計(jì)判斷儲(chǔ)存的溫度是否合格。但是在很多情況下家用冰箱由于缺乏控制系統(tǒng)，在使用過(guò)程時(shí)如果有中長(zhǎng)時(shí)間冰箱門(mén)打開(kāi)或者其他情況，將導(dǎo)致其無(wú)法將保存溫度恒定維持在2℃～8℃。

TRIZ理論是一種常見(jiàn)的工程設(shè)計(jì)方法論，它提供了對(duì)創(chuàng)新的客觀見(jiàn)解[2]。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)、數(shù)據(jù)和研究方法而不是憑直覺(jué)或嘗試來(lái)解決已發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。TRIZ理論的起源是俄羅斯專利局員工Genrich Altshuller在評(píng)估專利發(fā)明并基于此進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)和創(chuàng)造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些共同特征[3]。分析問(wèn)題和在問(wèn)題中提取矛盾是TRIZ中最根本的思想，利用現(xiàn)有的解決方法和技術(shù)中常用的共同原理，從而高效的解決產(chǎn)品中出現(xiàn)的問(wèn)題。它的核心以分析問(wèn)題為主，建立了以問(wèn)題為導(dǎo)向的解決思路。本文中，為了徹底解決長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)門(mén)和頻繁開(kāi)關(guān)門(mén)導(dǎo)致生物試劑失活的問(wèn)題，利用TRIZ法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了分析，將該問(wèn)題化簡(jiǎn)為存在的標(biāo)準(zhǔn)矛盾，并利用發(fā)明原理得到了最終的解決辦法并制作實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試。

2 冰箱保溫在設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題分析

2.1 問(wèn)題簡(jiǎn)介

（1）在將藥品放入冰箱的過(guò)程中，由于需要一直保持冰箱門(mén)敞開(kāi)的過(guò)程，氣溫較高時(shí)導(dǎo)致冰箱內(nèi)溫度發(fā)生改變，導(dǎo)致放入藥品時(shí)無(wú)法滿足在2℃～8℃溫度區(qū)間內(nèi)。直到關(guān)閉冰箱門(mén)后等待溫度下降才能穩(wěn)定在2℃～8℃溫度區(qū)間。

（2）在冰箱冷凍儲(chǔ)存過(guò)程中，存在冰箱門(mén)沒(méi)有關(guān)好的可能性，室溫與冰箱內(nèi)的溫度存在一定的對(duì)流現(xiàn)象，無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定在2℃～8℃溫度區(qū)間。

（3）取出藥品時(shí)，可能會(huì)存在長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟冰箱門(mén)的操作。與上面的情況類似，可能會(huì)導(dǎo)致放置在冰箱內(nèi)的其他藥品在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定在2℃～8℃溫度區(qū)間，導(dǎo)致藥品變質(zhì)。

2.2 問(wèn)題求解

遇到這些問(wèn)題時(shí)，用戶通常會(huì)采取兩種措施：

（1）在關(guān)閉冰箱門(mén)后檢查是否將冰箱門(mén)完全關(guān)閉，以防止出現(xiàn)冰箱門(mén)沒(méi)有完全關(guān)閉的情況。

（2）縮短打開(kāi)與關(guān)閉冰箱門(mén)之間的時(shí)間間隔，從而減少冰箱內(nèi)溫度的波動(dòng)。

3 利用TRIZ原理解決該問(wèn)題

上文對(duì)現(xiàn)在的實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析后，現(xiàn)在將這些問(wèn)題用通用技術(shù)矛盾表示，從而描述實(shí)際問(wèn)題中出現(xiàn)的矛盾[4]。其中溫度的問(wèn)題代表著“參數(shù)17.溫度”，其基本描述為物體或系統(tǒng)所處的熱狀態(tài)，代表宏觀系統(tǒng)熱動(dòng)力平衡的狀態(tài)特征。還包括其他熱學(xué)參數(shù)，如影響改變溫度變化速度的熱容量。而藥品的變質(zhì)問(wèn)題用“參數(shù)30.作用于物體的有害因素”來(lái)代表，其描述為：外部環(huán)境或系統(tǒng)的其他部分對(duì)物體的有害作用，使物體的功能退化。

通常情況下，可以通過(guò)以下兩種方式獲得最優(yōu)解：增加有用功能或者減少有害功能。而根據(jù)上述的問(wèn)題描述我們可知，本次問(wèn)題中的有害功能是環(huán)境溫度，如果對(duì)環(huán)境溫度加以控制則需要較高的代價(jià)。所以僅僅選擇增加有用功能作為我們的設(shè)計(jì)思路。

根據(jù)TRIZ原理的矛盾矩陣與40個(gè)發(fā)明原理，我們可以選用“原理9.預(yù)先反作用”、“原理23.反饋”與“原理10.預(yù)先作用”來(lái)改善冰箱中長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)門(mén)與關(guān)門(mén)中的溫度變化問(wèn)題?！霸?0.預(yù)先作用”的意思是預(yù)先導(dǎo)入有用的作用到物體或系統(tǒng)中（全部或少部分）以施加必要的改變?！霸?.預(yù)先反作用”的意思是預(yù)先導(dǎo)入有用的作用到物體或系統(tǒng)中（全部或少部分）以施加必要的改變?！霸?3.反饋”的意思是在系統(tǒng)中引入反饋。根據(jù)這些表述，在開(kāi)門(mén)前，將冰箱的溫度下降至2℃，可以有效的減緩溫度上升對(duì)藥品導(dǎo)致的影響。同時(shí)當(dāng)冰箱門(mén)打開(kāi)后，提高壓縮機(jī)功率，增強(qiáng)制冷效果從而補(bǔ)償環(huán)境溫度導(dǎo)致的溫度上升，并在內(nèi)部設(shè)計(jì)溫度報(bào)警系統(tǒng)。而根據(jù)反饋原理，將溫度直接顯示在冰箱的LED面板上，并且設(shè)計(jì)報(bào)警的溫度。當(dāng)溫度不在2℃～8℃時(shí)，冰箱會(huì)發(fā)出提示音從而提醒用戶將藥物妥善保存，從而避免了長(zhǎng)時(shí)間的冰箱門(mén)未關(guān)閉時(shí)藥品無(wú)法正常保存的問(wèn)題。

值得注意的是，TRIZ的矛盾矩陣也提供了解決這些問(wèn)題其他的思路。如“原理2.抽取”、原理3.局部質(zhì)量”等?！霸?.抽取”的意思是將物體中的「干擾」部分或特性抽取出來(lái)?！霸?.局部質(zhì)量”的意思是改變一個(gè)物體或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從均質(zhì)變異質(zhì)。但是需要注意的是，并不是矛盾矩陣中的原理都完全適用。TRIZ法提供的僅僅是一個(gè)解決問(wèn)題的思路，因?yàn)槿绫疚闹械膯?wèn)題一樣，無(wú)法完全擺脫技術(shù)矛盾中的“參數(shù)32.可制造性（易制造性）”和“參數(shù)33.操作流程的方便性（可操作性、易用性、易操作性）”的影響。所以需要簡(jiǎn)化關(guān)鍵問(wèn)題后對(duì)給出的“發(fā)明原理”具體分析。從而得出最優(yōu)解。

圖1 冰箱門(mén)開(kāi)啟后溫度與時(shí)間的關(guān)系

4 產(chǎn)品方案的制作與測(cè)試

根據(jù)上文的方案，我們選用BCD-511WGPM美的冰箱，并對(duì)其中的溫控系統(tǒng)進(jìn)行改裝。利用冰箱表面的觸摸屏加入一個(gè)“開(kāi)門(mén)”的按鈕，并在保鮮層內(nèi)四角分別安裝溫度傳感器，以解決因?yàn)槭覝氐挠绊憣?dǎo)致保鮮層內(nèi)溫度分布不均勻的情況。當(dāng)按下“開(kāi)門(mén)”按鈕后，制冷效果增強(qiáng)，保鮮層內(nèi)四點(diǎn)的溫度下降至2℃并提示此時(shí)可以打開(kāi)冰箱。同時(shí)持續(xù)制冷效果增強(qiáng)使得溫度控制在2℃與8℃之間。當(dāng)溫度超過(guò)8℃時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始工作，并且觸摸屏開(kāi)始不斷閃爍紅光以達(dá)到提示溫度過(guò)高的作用。而當(dāng)溫度低于2℃時(shí)，自動(dòng)降低壓縮機(jī)功率，從而減弱制冷效果，令保鮮層內(nèi)的溫度始終處在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的范圍中。

根據(jù)我們?nèi)螠y(cè)試的結(jié)果（取平均值），每次開(kāi)門(mén)時(shí)間均為5min，結(jié)果如表1所示。按下“開(kāi)門(mén)”鍵后，保鮮層的溫度可以在30S內(nèi)降至2℃，四點(diǎn)傳感器的溫度差異并不大。這是因?yàn)榇藭r(shí)的冰箱屬于密閉空間，溫度受到室溫的影響由于保溫層的存在，基本可以忽略。在室溫為32℃的情況下，我們將打開(kāi)冰箱門(mén)后（功率不變）設(shè)計(jì)為對(duì)照組，用以檢查這樣設(shè)計(jì)的效果。在功率不變的情況下，打開(kāi)冰箱門(mén)后溫度立刻上升，這與環(huán)境溫度與冰箱內(nèi)溫度相差過(guò)大有關(guān)。而增加功率可以有效的減小溫度的下降。由于點(diǎn)3，點(diǎn)4在外側(cè)，與空氣接觸的相對(duì)面積更大，所以溫度上升比點(diǎn)1、點(diǎn)2更快。

為了更精確的研究可以保持的時(shí)間，我們進(jìn)行了3次測(cè)量并對(duì)點(diǎn)3溫度趨勢(shì)作圖。圖1表示當(dāng)冰箱門(mén)打開(kāi)后溫度和時(shí)間變化的曲線。該圖表明在該狀態(tài)下最高可以保持3.5min，而這個(gè)時(shí)間足夠完成取物的全部流程。而對(duì)照組僅僅在冰箱門(mén)打開(kāi)后的15s內(nèi)無(wú)法維持2℃～8℃的溫度區(qū)間。從而證明了我們基于TRIZ法設(shè)計(jì)的可行性。

5 結(jié)論

TRIZ法是廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的，被全世界公認(rèn)的一種有效的解決問(wèn)題的辦法，它提供了對(duì)問(wèn)題解決的一系列的可行的思路。因此，常用的概念產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段。它可以高效的輔助工程師進(jìn)行產(chǎn)品的迭代和改良，本文基于TRIZ方法，通過(guò)對(duì)矛盾矩陣和發(fā)明原理的靈活運(yùn)用，設(shè)計(jì)并制備了可以防止在家庭存儲(chǔ)過(guò)程中，因?yàn)殚_(kāi)門(mén)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)溫度不穩(wěn)定生物制品導(dǎo)致意外損壞，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)本方案可以有效的防止各種意外的情況導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間冰箱門(mén)開(kāi)啟。毫無(wú)疑問(wèn)，這能有效的降低如胰島素等高頻使用的生物試劑的意外損壞，正確的掌握與使用TRIZ方法，能夠有效的解決本研究中的問(wèn)題。