基于TRIZ理论的空气净化器发展分析

2016-03-29东北大学机械学院李海洋赵新军

科技创新与品牌 2016年3期

文/东北大学机械学院李海洋赵新军

基于TRIZ理论的空气净化器发展分析

文/东北大学机械学院李海洋赵新军

一、引言

近年来，空气污染日益严重，“雾霾”一词成为全民关注的热点，《2014中国环境状况公报》显示，全国开展空气质量新标准监测的161个城市中，仅有16个城市空气质量达标。持续恶化的空气污染严重危害人类的身体健康，这也使得人们对空气质量问题的关注不断提高，能净化室内空气的空气净化器逐渐受到人们青睐，空气净化器在我国将会有广阔的市场前景。本文尝试基于TRIZ理论分析空气净化器的发展与演变，探索空气净化器的发展方向。

二、空气净化器的发展历程

国家空气净化器相关标准中把空气净化器定义为“从空气中分离和去除一种或多种污染物的设备，对空气中的污染物有一定去除能力的装置。空气净化器进化过程如图1所示。

图1　空气净化器进化发展图

最早的空气净化器概念产品出现于16世纪，是一种用于人的面罩呼吸器，可以过滤掉烟雾和粉尘。18世纪，莱昂纳多·达·芬奇发现用浸湿的精织布料可以过滤掉武器发射时所产生的有毒粉末。

1.第一代空气净化器——机械滤网式空气净化器

最初的空气净化器源于消防。1823年，约翰和查尔斯·迪恩共同研发了一款新型防护装置用于消防人员。1854年，约翰斯·滕豪斯用木炭填充过滤网来过滤空气，使得净化空气的效果显著提高。二战期间，一种新型过滤网——HEPA诞生，后来广泛应用于空气净化器中。该技术最初是用于核能研究防护，确保科学家的呼吸安全，HEPA对直径0.3μm 以上的微粒去除效率可达到99.7%以上，可以过滤烟雾、灰尘以及细菌等污染物。但采用这种过滤器的空气净化器产生的噪音大，滤网需要频繁更换，维护成本高，且只能滤除悬浮微粒、无法滤除有害气体。此时的空气净化器多为箱式结构，且产品体积大、机身沉重。

2.第二代空气净化器——组合式空气净化器

到了20世纪80年代，空气净化器开始应用于家庭，随着空气污染逐渐加重，人们对空气净化器的净化能力要求越来越高。空气净化器设计重心转移到空气净化技术的研发，在此期间多种净化技术应运而生，广泛应用到空气净化器中。第二代空气净化器是在原有的过滤网基础上结合了静电集尘、活性炭吸附等技术，提高第一代空气净化器去除颗粒污染物功效的同时，还增加去除花粉、细菌等功能。此时的空气净化器仍处于被动净化空气状态，存在净化面积小、噪音大、需要定期更换滤网等不足之处。

3.第三代空气净化器——主动式空气净化器

离子化技术的诞生将空气净化器从被动净化空气转变到可以主动净化空气，利用空气的弥漫性可以净化整个室内的空气，不再局限于产品摆放位置，净化效果也得到极大的提高，但容易产生臭氧。随后光触媒技术的出现解决了这一问题，因为其反应过程中本身不发生变化和损耗，安全无毒，降低了产品成本，也更迅速地杀灭空气中的各种病毒、细菌等。由于主动式空气净化器（图2a）的内部没有过滤网和风机，因此在噪音和耗电量方面都非常低。与此同时，这类产品也无需更换过滤网，但在使用一段时间之后，这类空气净化器的电极部分仍需要水洗。第二、第三代空气净化器比较见表1。

4.第四代空气净化器——复合式空气净化器

随着空气污染源逐渐增多，人们发现单一的空气净化技术并不能完全去除空气中的污染物质。复合式空气净化器应用多种技术和材料结合来达到功能最大化的目的。例如德国生产AGS-S6-幕尚S系列（图2b）采用一体成型环保PP网、冷触媒滤网和高效复合固化结晶活性炭滤网结合净化空气，一体成型环保PP网能有效阻隔如皮屑、毛发、尘土等较大颗粒物，冷触媒滤网和高效复合固化结晶活性炭滤网则可以有效捕捉并分解空气中的甲醛、苯、TVOC等有害物质，将被动净化方式和主动净化方式结合一起，实现了强大的空气净化功能。

表1　第二、第三代空气净化器比较表

图2

5.第五代空气净化器——多功能空气净化器

随着人们对生活质量的不断关注，对空气净化器的功能要求已经不仅仅是净化空气，同时还需要提供健康的空气。于是在传统净化器的基础上设计师为其添加了空气加湿、定时和空气检测等功能，空气净化器开始趋于多功能化。例如飞利浦的一款空气一体机内置智能控制系统，具有智能检测空气质量和湿度的功能，可根据室内环境净化空气和调节湿度，同时还能提供健康空气。空气净化器的形式也不再局限于家庭用电器形式，例如清华大学所设计的“核孔膜防雾霾窗纱”（图2c），其核心技术就是“核孔膜”，这些小孔是利用高能加速器加速原子核产生的强大穿透力制作而成，孔径只允许分子通过，因此PM2.5等细小颗粒物会被薄膜挡住，这款窗纱对PM2.5的有效阻挡率达到98%以上。德国Trittec AG公司发布的第五代微尘过滤窗纱，采用具有高静电效能的纤维材料制成，风拂过窗纱，就会因摩擦而产生不被人感知的静电，并长时间维持，当微尘靠近就被迅速阻隔。

三、TRIZ理论在空气净化器发展中的应用

目前我国空气净化器日趋完善，设计师们在设计空气净化器时使用了很多TRIZ理论中的发明创造原理，有效解决了设计中所遇到的问题。TRIZ理论在空气净化器中的应用见表2。

在空气净化器外观上，早期空气净化器以板式和箱式为主，这类产品占据空间较大，样式单一，为了解决这一问题，设计师利用TRIZ理论的曲面化原理，设计出了圆柱式空气净化器，没有棱角，增加安全性，给人温和的感觉。同时减小了净化器体积，并且圆柱式结构可承载更多滤网，使得过风距离和停留时间大幅增加，净化效率更高，合理节省使用空间。随着人们生活质量的不断提高，以往产品的简单造型和配色已经不能满足人们的审美要求，设计师为了使产品更时尚美观，运用TRIZ理论中非对称和改变颜色的原则设计出各种异形空气净化器，色彩绚丽、造型独特，摆放在室内不仅仅是空气净化设备，还是一件装饰品，美观实用。

在空气净化器功能方面，最初的空气净化器仅能过滤空气中的颗粒物，随着空气污染物的增加，净化器的功能也在不断增加，在增加了过滤花粉、细菌、有毒气体等净化功能的同时还增加了空气加湿、定时等功能，这则是运用TRIZ理论的多功能原则，多种功能合为一体，增大产品的竞争力和价值，满足消费者更多需求。空气净化器的净化功能不断完善，但并不能根据室内环境情况调节净化功能，使用者也不能直观地感受空气净化器的净化功效，设计师则利用TRIZ理论动态化原则设计出智能空气净化器，在产品中加入智能控制系统检测室内空气质量，并随室内空气质量情况调整工作状态，节约资源，快速有效，还可以通过指示灯显示室内空气质量，让使用者随时感受到空气净化器的显著功效。

表2　TRIZ理论在空气净化器的应用

图3

在空气净化器净化技术方面，空气净化器最初的单层滤网式过滤，净化效果差，设计师为使其能净化更多污染物，在原有的基础上增加多层过滤网，例如飞利浦空气净化器AC4372拥有4层过滤网，将净化能力提升到可以过滤0.02微米的微尘。这便是利用了TRIZ理论中的向另一维度过渡的原则，利用多层结构代替单层结构，提高产品性能。

自从人们将设计重心转移到空气净化技术，便有大量的研究成果运用到空气净化器中，活性炭便是其中之一。为解决空气净化器对气态污染物净化能力差的问题，设计师运用TRIZ理论中多孔材料原则，利用活性炭这种多孔材料净化空气，因其与空气有极大的接触面积，所以能有效净化空气中的气体污染物。可是活性炭存在吸附饱和的缺点，不及时更换容易产生二次污染。活性炭—纳米二氧化钛复合光催化技术的出现解决了这一问题，活性炭可快速吸附空气中极低浓度的污染物加快光催化作用，二氧化钛的光催化作用则促使活性炭吸附的污染物向二氧化钛转移，实现活性炭的原位再生，使空气净化器无需更换活性炭，从而降低成本，方便使用。这个过程运用的就是TRIZ理论中的自我服务原则。