基于TRIZ理论的可调温保温杯创新设计

杨亮亮 冯乙

摘要：基于TRIZ理论的设计方法，对可调温保温杯进行创新设计。为设计出可以调节温度的保温杯，以TRIZ为理论基础进行问题分析与问题解决。在设计过程中，首先从系统功能、系统因果链和系统九屏幕法进行问题分析;然后，利用技术矛盾和物-场分析方法得到问题的解决方案;最后，梳理前期分析和解决问题的多种方案评定出最优方案。利用TRIZ理论为可调温保温杯设计提供了新的思路，同时验证了可调温保温杯创新设计的可行性。

关键词：可调温保温杯TRIZ理论创新设计功能分析矛盾解决

中图分类号：TB472文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）09-0136-03

Abstract：The work aims to conduct innovative design of the thermos cup that can adjust the temperatures based on the theory of TRIZ. In the design process，the problems are analyzed from the system function，he Fault Tree Analysis and the system nine-screen method. Then，the solution of the problem is obtained by using technical contradiction and Substance-Field analysis method. Finally，combing the previous analysis and solving the problem of a variety of solutions to evaluate the best design .This paper provides a new idea for the design of thermos cup with adjustable temperature by using TRIZ theory，and verifies the feasibility of the innovative design of thermos cup with adjustable temperature.

Keywords： Thermos cup with adjustable temperature The theory of TRIZ Innovative design Functional analysis Conflict resolution

引言

随着时代发展，人们的生活水平在逐步提高，对于日常生活必需品的品质和功能的追求也在不断提高。消费者希望每个产品都具有多样性的功能，提高使用的效率。基于以上的分析和TRIZ理論的结合应用，提出了该理论下的可调温保温杯产品创新设计思路。现在市场上大部分的保温杯，都只能盛装热水或者常温的饮用水的一种。也有一些保温杯能够盛装一定的热水以达到恒温的使用需求，但是其产品大多为使用了较为昂贵的材料或者是在杯体中加入了电子智能设备以达到使用需求[1]。分析以上存在的问题，给产品使用上带来了很大的不便。从这一点出发，探究设计了一种可调节温度的新型保温杯，以提高保温杯的使用效率。本文首先按照TRIZ方法理论流程对保温杯进行问题分析和问题解决，再进行相应的设计方案构思。探索分析设计过程的最优解，以达到保温杯可调节温度的效果，为其他同类产品的开发设计提供借鉴。

一、TRIZ理论概述

TRIZ理论是“发明问题解决理论”的最常用简称，是将俄文译成拉丁文后的缩写。关于TRIZ的理论缘起，按照时间可以追溯到20世纪40年代。阿奇舒勒担任专利调查员期间，由于工作原因阅读了大量的专利文件，在工作中他注意到那些看似毫无联系的专利中存在着一些解决问题的基本模式。每个成熟的专利都是在解决现有的矛盾问题，解决这些矛盾的相同原理被反复利用[2]。阿奇舒勒在对海量文献专利搜集，研究和提炼之后，整合后开发出了TRIZ这一理论创新方法体系。体系中包含了大量实用的创新方法工具，运用这套理论方法可以针对实践中各类复杂的问题进行分析和解答。

二、现有可调温保温杯调研分析

通过前期产品市场调研，对现有的各类可调温保温杯的产品性能和优缺点做出具体分析。本次研究选取了目前市场上销量较好的几款可调温保温杯进行各项比较，主要是针对现有可调温保温杯产品的不足和存在的急需解决的矛盾进行研究，得以实现新产品的创新改良和优化。本次市场调研主要发现有两种调温方式的保温杯产品，第一种是依靠杯体内使用新型材料发生冷热交换反应而达到调控温度的目的;第二种与之不同，大多是依靠放电过程中形成的电能和杯中水做热量交换以达到调温的目的。

市场上现有功能相似的保温杯还包括富光品牌的55℃保温杯、极爱55℃保温杯等，这些保温杯产品基本功能和上述洛可可公司的保温杯产品基本原理相同，都是利用保温杯隔层的相变材料迅速吸热进行降温，材料吸热之后放热进行保温的原理制成。第二种类型的可调温保温杯就是自带加热功能部件或依靠配套加热部件调节温度的产品，杯内用普通电阻丝加热杯中的水或者用配备的底座所产生电磁波来加热水温。

通过调研分析总结得出，现有同种功能产品各有优缺，可调温保温杯的竞争优势主要体现在加热功能和维持温度的方式上。使用电辅助加热类别的保温杯需要使用电源，受使用环境的限制。其中，55℃保温杯创新性地运用了新材料将水温调节至55℃达到最适合人体饮用的温度深受消费者的青睐，但同时其较贵的售价也使此产品的缺点一目了然。基于本研究前期调研发现的现有问题，提出一种基于TRIZ理论的可调温杯产品创新设计方法，并根据该方法设计出售价合理，使用便捷的可调温保温杯。

三、基于TRIZ理论的创新设计

（一）问题的描述与分析

保温杯是我们生活中的必备用品，普通保温杯的保温原理就是要尽量减少水的热量损失，以此达到保温的效果。我们在使用保温杯的时候也会遇到与保温相关问题，刚接入杯内的开水由于温度过高不能立刻饮用，只能将其放置等到水的温度慢慢下降之后才可饮用。这就产生了一个非常不方便的使用问题，使本该属于产品的优势转而成为其使用的劣势和痛点。

利用TRIZ理论分析初始问题，为解决保温杯盛接热水不能即刻饮用温水的问题，对传统保温杯进行创新设计，应满足如下一些限制条件：该可调温保温杯设计制造不应太复杂，成本不应过高;该可调温保温杯不应有过于严格的使用环境限制;该可调温保温杯要尊重传统操作方式，不易将使用方式改动过大。

1.系统功能分析。功能是指当某个组件改变或者保持另一组的某个参数的行为或者作用[3]。在TRIZ理论中，功能是对产品或技术系统特定的工作能力较为抽象化的表述，任何产品都具有其特定的功能。

功能是产品存在的理由，产品是功能的实质载体。而系统功能分析的主要目的就是对已有系统进行分解，确定此技术系统所提供的主要功能，明确各组件的有用功能和对所属系统功能的贡献，通过拆解分析建立绘制组件功能模型图。

根据系统功能分析流程，将本次研究主体保温杯作为拥有完整功能的独立系统展开分析。其中的技术系统有：不锈钢外壳、内胆、塑料杯盖、按键、橡胶圈，弹簧;超系统包含：饮水机，热水壶，使用人群。其中主要技术系统具体包括系统作用对象系统组件，超系统组件指对系统造成影响的外部因素，在研究中饮水机、热水壶、使用人群就属于超系统组件。

建立保温杯系统内相互作用矩阵于下表1中，将各组件相互作用的分析表述清楚。用带“+”的单元意味着有可能作用，后续需要具体分析各部件具体作用是什么。用带“-”表示两者没有作用，后续分析中将不再考虑。

接着建立功能模型表式，见表2。通过功能模型表式可以帮助分析识别原件之间的具体作用，了解保温杯各原件作用功能。在如下表格内系统性地记录下工程系统中各功能载体、具体功能、功能客体、参数以及性质。

在发现问题设计之初，首先进行的是功能分析。功能分析的目的是从完成保温杯功能的角度而不是制造保温杯技术的角度去分析系统、子系统和部件。以上部分完成了裁剪过程，就是研究保温杯每一个功能是否必需，如果必需，系统中其他部件是否可以代替其完成相对应功能。

通过上述功能功能分析，将表2进行图形化建立保温杯的功能模型图，图1。通过功能模型图可以清楚地了解到每个功能单元所执行功能和被作用单元在该单元上的功能，尤其是有特殊问题的单元，如下图中圈内的单元。简单分析模型图提出设计构想，去除保温杯一些不必要的结构，使得保温杯的结构更加简洁，操作更加简单。再通过改变打开内盖和杯盖的方式，使得操作更加简单，例如采用按键弹开的打开方式。

2.系统因果链分析。针对上述建立的功能模型，根據问题表象在模型上确定直接相关的冲突区域（寻找设计痛点），运用TRIZ理论中系统因果分析进行下一步的设计进程。所谓系统因果分析是以发展变化的因果为依据，抓住系统发展变化的主要矛盾与次要矛盾（内因和外因）的相互关系[4]。

本次因果分析采用的是因果链分析又叫故障树分析，在分析保温杯各单元的过程中，找出根本原因和结果之间存在的一系列因果关系，构成了多条因果链关系[5]。本次因果链分析的主要目的首先是发现问题产生的根本原因;寻找解决问题的“薄弱点”;最终为解决问题寻找入手点。因果链分析图如下图2所示。

从发现的现有问题“温度过高”、“冷却时间长”、“单独内胆”、“单一保温”、“打开方式”、“温度适宜”出发，列出逻辑第一层的直接原因。将第一层发现问题的每个原因和结果用箭头相互连接，箭头从直接原因指向对应结果，就整体构了成完整的因果链。以这些直接原因为结果在此次循环实施以上步骤，分别找出“温度”、“时间”、“结构”、“材料”、“功能”、“使用方式”、“使用心理”这些原因。

找出关键问题：121，111+211，211，221，21+231，21+311，21+321，211+311，23+221。保温杯单独的内胆就直接导致杯内水的温度是趋于稳定的，单一的保温作用也导致了保温杯内刚接的水温度过高，饮用困难的问题。简单分析因果链可得，既可以从保温杯的结构方面、保温杯内胆的材料、水的冷却的时间等方面着手解决问题。

3.系统九屏幕分析。九屏幕法或多屏幕法是TRIZ理论中典型的“系统思维”方法，是对整体情境进行考虑，要求是不仅考虑当前的情境，还需要考虑它们在系统层次和时间上情境的变化。九屏幕法又称系统算子，是处理动态影像的具体方法[6]。最常见的多屏幕法一共包含九个屏幕，即具有两条坐标轴线：纵向为系统层次，其中包括子系统、系统和超系统三个层次;横向为时间，核心关注保温杯的过去，现在和未来。时间线以可调温保温杯为思维发散点，追溯到“过去”的普通传统保温杯，再到“未来”的智能新型保温杯。

传统保温杯保持水温的工具，当下研究的可调温保温杯是可以调节水温的工具。未来智能保温杯具有更先进的材料，以达到智能控温的功能，具体如图3所示。根据九屏幕法分析得出，可调温保温杯设计需运用较为成熟的技术，通过各种结构与零件的相互配合来达到调节水温的目的。

（二）问题的解决方法

如前所述，TRIZ理论认为“矛盾是发明问题的核心”，但是当我们面对一个具体的发明创造问题时矛盾不会自己显现出来。矛盾分析——也即如何准确合理地将研究问题中的矛盾提取出来，将多样化的问题转化成典型通用的问题[7]。在解决本研究问题之时，就应用矛盾分析法就行对应的探究。

1.技术矛盾解决问题。TRIZ理论将矛盾分为两类，第一类称为技术矛盾，与之对应的另一种矛盾称为物理矛盾[8]。TRIZ理论从大量的发明方案中总结并提炼出解决矛盾的40个发明原理，这四十个发明原理是基于大量可行的解决矛盾原理精炼而来，能够指导本次可调温保温杯产品的设计实施。

首先通过本文第二部分的描述与分析，总结定义现有可知技术矛盾：如果为了使保温杯能够适应拥有储存不同温度的饮用水的要求，就需要增加保温杯储水内胆数量，增加系统组件;如果系统的组件增加，会导致系统的复杂性增加;如果增加组件，会导致与原系统的操作方式不同，系统的可操作性会受到影响。

其次根据发明原理流程，查找矛盾矩阵确定功能工程参数描述。

改善的参数为：No.35适用性和通用性。恶化的参数为：No.33可操作性、No.36系统的复杂性。通过查询矛盾矩阵图表，得知此问题可能的解集是M35-33=[34，15，1，16]和M35-36=[29，15，28，37]共计七个发明创新原理。上述七个发明原理分別是1分割原理、15动态性原理、16不足或过量作用原理、28替换机械系统原理、29气压或液压原理、34抛弃与再生原理和37热膨胀原理。从设计需求出发结合以上得出的原理分析可知，较为适用的发明原理以及基于此原理得到的设计构思为以下四种。

分割原理：将保温杯的某些系统组件进行分离，实现储存不同温度饮用水功能要求;将保温杯剖析成可拆卸组装的系统，在增加系统适应性的同时，也保证了系统所要求的简洁性。动态性原理：将保温杯的某些组件（如内胆和内杯盖）设计成双层，并同时支持两层组件相互移动;增加一个调节系统，并让增加的系统能够调整饮用水的流出方式。替换机械系统原理：利用磁场或电场代替现有保温杯的机械场，提高保温杯的保温功能，增加调温功能;将保温杯内胆改为的电场可控的组件，并可在电场作用下达到保温与调节水温的目的。不足或过量作用原理：局部增加保温杯储水组件的数量，增加储水内胆的形式数量;增加保温杯内饮用水与外界环境接触的面积，使散热面积增大，加快冷却速度。

2.物-场模型解决问题。物-场模型是指当两个原件发生相互作用时，需要分析每个技术系统的“结构属性”[9]。本次研究的物一场模型问题描述：刚接入杯内的开水由于温度太高不能立刻饮用，只能等到水的温度慢慢下降之后才可饮用，这就产生了一个非常不方便的使用问题。

建立物-场模型如图4所示。

解决方法：增加另外一个场F2来抵消保温杯对饮用水温度控制的过度效应如图5所示。

提出设计方案：通过将内胆分成两部分的方法，一部分储存热水，另外一部分储存凉水。饮用时将两者混合即可达到抵消过度效应。

（三）最终理想解

研究最后阶段即是汇总概念方案，梳理研究前期问题分析和解决过程中的多种方案，从可调温保温杯产品的成本高低、可靠性高低以及产品实现的难以程度三个方向进行方案评估。根据选定的最佳方案用犀牛软件进行模型的建立，将制作好的模型文件置入渲染软件中进行渲染处理，得到最终的理想解效果图。形成的可调温保温杯旋转调温部件细节如图6，使用场景如图7。

通过分析与解决问题，设计出以上可调温保温杯。解决了普通保温杯刚开始盛接热水不能立刻饮用的设计痛点。产品的具体原理是从结构设计出发，将保温杯内胆只作为两半。在盛接饮用水的时候于一边接热水另外一边接常温水即可，具体的调节方式为杯盖经过机械结构设计，在杯口倒出水时旋转旋钮就可达到调节出水配比。基于TRIZ理论下的设计探究，使可调温保温杯产品创新设计更为简易，产品结构简单制造成本大大降低。此设计便于携带，提高了保温杯的适用性。

结论

本文通过市场现有相似功能可调温保温杯进行调研分析，寻找新型产品设计切入点。首先综合三种问题描述与分析方法，为后续解决问题做充足的思维发散。其后在解决问题阶段，利用矛盾分析法和物与场架构模型法得到解决问题的最佳方案。摒弃了市面上同类可调温保温杯的设计思路，运用TRIZ理论创造性的将保温杯设计为两个内胆分别盛装冷热温度的饮用水，依靠杯盖机械装置进行杯中水温度的调节以达到调温的目的。本文按照设计理论流程探究产品创新方案，可为其同类型产品的开发研究提供借鉴价值。

参考文献

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