基于TRIZ理论的家用冰箱存储生物试剂的改进

陈吞 沈剑 杨乐庭 黄勇 崔怀雷

合肥美的电冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

大多数的生物制品，如疫苗、胰岛素、眼药水、生物制药、实验室试剂、血液衍生物等，对温度较为敏感。根据世界卫生组织的报告指出：一些产品对热非常敏感，但又不能冷冻，它们通常保存在冰箱的第一或第二冷藏层，保持2℃～8℃保存。毫无疑问这是对冷链供应的巨大挑战[1]。世界卫生组织（WHO）估计约50%的疫苗无法给患者正常使用。很多情况下，糖尿病患者自身购买胰岛素长时间保存在冰箱中，依靠温度计判断储存的温度是否合格。但是在很多情况下家用冰箱由于缺乏控制系统，在使用过程时如果有中长时间冰箱门打开或者其他情况，将导致其无法将保存温度恒定维持在2℃～8℃。

TRIZ理论是一种常见的工程设计方法论，它提供了对创新的客观见解[2]。根据现有技术、数据和研究方法而不是凭直觉或尝试来解决已发现的问题。TRIZ理论的起源是俄罗斯专利局员工Genrich Altshuller在评估专利发明并基于此进行设计改进和创造过程中发现的一些共同特征[3]。分析问题和在问题中提取矛盾是TRIZ中最根本的思想，利用现有的解决方法和技术中常用的共同原理，从而高效的解决产品中出现的问题。它的核心以分析问题为主，建立了以问题为导向的解决思路。本文中，为了彻底解决长时间开门和频繁开关门导致生物试剂失活的问题，利用TRIZ法对问题进行了分析，将该问题化简为存在的标准矛盾，并利用发明原理得到了最终的解决办法并制作实物进行了测试。

2 冰箱保温在设计方面存在的问题分析

2.1 问题简介

（1）在将药品放入冰箱的过程中，由于需要一直保持冰箱门敞开的过程，气温较高时导致冰箱内温度发生改变，导致放入药品时无法满足在2℃～8℃温度区间内。直到关闭冰箱门后等待温度下降才能稳定在2℃～8℃温度区间。

（2）在冰箱冷冻储存过程中，存在冰箱门没有关好的可能性，室温与冰箱内的温度存在一定的对流现象，无法持续稳定在2℃～8℃温度区间。

（3）取出药品时，可能会存在长时间开启冰箱门的操作。与上面的情况类似，可能会导致放置在冰箱内的其他药品在一定时间内无法持续稳定在2℃～8℃温度区间，导致药品变质。

2.2 问题求解

遇到这些问题时，用户通常会采取两种措施：

（1）在关闭冰箱门后检查是否将冰箱门完全关闭，以防止出现冰箱门没有完全关闭的情况。

（2）缩短打开与关闭冰箱门之间的时间间隔，从而减少冰箱内温度的波动。

3 利用TRIZ原理解决该问题

上文对现在的实际使用过程中出现的问题进行了简要的分析后，现在将这些问题用通用技术矛盾表示，从而描述实际问题中出现的矛盾[4]。其中温度的问题代表着“参数17.温度”，其基本描述为物体或系统所处的热状态，代表宏观系统热动力平衡的状态特征。还包括其他热学参数，如影响改变温度变化速度的热容量。而药品的变质问题用“参数30.作用于物体的有害因素”来代表，其描述为：外部环境或系统的其他部分对物体的有害作用，使物体的功能退化。

通常情况下，可以通过以下两种方式获得最优解：增加有用功能或者减少有害功能。而根据上述的问题描述我们可知，本次问题中的有害功能是环境温度，如果对环境温度加以控制则需要较高的代价。所以仅仅选择增加有用功能作为我们的设计思路。

根据TRIZ原理的矛盾矩阵与40个发明原理，我们可以选用“原理9.预先反作用”、“原理23.反馈”与“原理10.预先作用”来改善冰箱中长时间开门与关门中的温度变化问题。“原理10.预先作用”的意思是预先导入有用的作用到物体或系统中（全部或少部分）以施加必要的改变。“原理9.预先反作用”的意思是预先导入有用的作用到物体或系统中（全部或少部分）以施加必要的改变。“原理23.反馈”的意思是在系统中引入反馈。根据这些表述，在开门前，将冰箱的温度下降至2℃，可以有效的减缓温度上升对药品导致的影响。同时当冰箱门打开后，提高压缩机功率，增强制冷效果从而补偿环境温度导致的温度上升，并在内部设计温度报警系统。而根据反馈原理，将温度直接显示在冰箱的LED面板上，并且设计报警的温度。当温度不在2℃～8℃时，冰箱会发出提示音从而提醒用户将药物妥善保存，从而避免了长时间的冰箱门未关闭时药品无法正常保存的问题。

值得注意的是，TRIZ的矛盾矩阵也提供了解决这些问题其他的思路。如“原理2.抽取”、原理3.局部质量”等。“原理2.抽取”的意思是将物体中的「干扰」部分或特性抽取出来。“原理3.局部质量”的意思是改变一个物体或系统的结构从均质变异质。但是需要注意的是，并不是矛盾矩阵中的原理都完全适用。TRIZ法提供的仅仅是一个解决问题的思路，因为如本文中的问题一样，无法完全摆脱技术矛盾中的“参数32.可制造性（易制造性）”和“参数33.操作流程的方便性（可操作性、易用性、易操作性）”的影响。所以需要简化关键问题后对给出的“发明原理”具体分析。从而得出最优解。

图1 冰箱门开启后温度与时间的关系

4 产品方案的制作与测试

根据上文的方案，我们选用BCD-511WGPM美的冰箱，并对其中的温控系统进行改装。利用冰箱表面的触摸屏加入一个“开门”的按钮，并在保鲜层内四角分别安装温度传感器，以解决因为室温的影响导致保鲜层内温度分布不均匀的情况。当按下“开门”按钮后，制冷效果增强，保鲜层内四点的温度下降至2℃并提示此时可以打开冰箱。同时持续制冷效果增强使得温度控制在2℃与8℃之间。当温度超过8℃时，蜂鸣器开始工作，并且触摸屏开始不断闪烁红光以达到提示温度过高的作用。而当温度低于2℃时，自动降低压缩机功率，从而减弱制冷效果，令保鲜层内的温度始终处在一个动态平衡的范围中。

根据我们三次测试的结果（取平均值），每次开门时间均为5min，结果如表1所示。按下“开门”键后，保鲜层的温度可以在30S内降至2℃，四点传感器的温度差异并不大。这是因为此时的冰箱属于密闭空间，温度受到室温的影响由于保温层的存在，基本可以忽略。在室温为32℃的情况下，我们将打开冰箱门后（功率不变）设计为对照组，用以检查这样设计的效果。在功率不变的情况下，打开冰箱门后温度立刻上升，这与环境温度与冰箱内温度相差过大有关。而增加功率可以有效的减小温度的下降。由于点3，点4在外侧，与空气接触的相对面积更大，所以温度上升比点1、点2更快。

为了更精确的研究可以保持的时间，我们进行了3次测量并对点3温度趋势作图。图1表示当冰箱门打开后温度和时间变化的曲线。该图表明在该状态下最高可以保持3.5min，而这个时间足够完成取物的全部流程。而对照组仅仅在冰箱门打开后的15s内无法维持2℃～8℃的温度区间。从而证明了我们基于TRIZ法设计的可行性。

5 结论

TRIZ法是广泛应用在各个领域的，被全世界公认的一种有效的解决问题的办法，它提供了对问题解决的一系列的可行的思路。因此，常用的概念产品的设计阶段。它可以高效的辅助工程师进行产品的迭代和改良，本文基于TRIZ方法，通过对矛盾矩阵和发明原理的灵活运用，设计并制备了可以防止在家庭存储过程中，因为开门时间过长温度不稳定生物制品导致意外损坏，经过实际测试，发现本方案可以有效的防止各种意外的情况导致的长时间冰箱门开启。毫无疑问，这能有效的降低如胰岛素等高频使用的生物试剂的意外损坏，正确的掌握与使用TRIZ方法，能够有效的解决本研究中的问题。