Разбор задачи "Фильтр"

Размещено на сайте 31.03.2009.

 

 

Разбор задачи «Фильтр»[1]

А.Захаров

Исходный текст задачи:

http://www.metodolog.ru/01606/01606.html

А. Кудрявцев АРИЗ и решатель – кто-то не дорабатывает

Размещено на сайте 23.02.2009.

Для использования компьютерной программы USESoft[2] перевел текст задачи на английский.

Various filters are used for cold water's purification. Among them there are filters mounted on the faucet. Such filter usually remains on the faucet during all service life of a cartridge, about three months. The filter allows to receive pure water, but the size of the filter is too large and the faucet’s general appearance substantially deteriorating. What has to be done?

Т.к. в описание исходной ситуации входят несколько систем (различаются по функции):

§ кран, направляющий и регулирующий поток воды;

§ кран, удерживающий фильтр;

§ фильтр (корпус + картридж), задерживающий примеси в потоке воды;

§ фильтр (корпус), производящий плохое впечатление на Пользователя,

то необходимо выбрать систему, которую надо исследовать на предмет выявления задачи.

Последовательный выбор объектов, указанных в исходной ситуации:

1. Фильтр

2. Вода

3. Очистка

4. Кран

5. Картридж

6. Внешний вид

7. Примеси

8. Пользователь

С помощью вопроса: «Без какой системы описанная ситуация не возникает?» в качестве исследуемой системы выбран Фильтр. Правда, без Пользовтеля описанная ситуация тоже не возникает... J

Компьютерная программа USESoft позволяет:

§ Выбрать объект функции системы «Фильтр» - «Примеси» (impurities);

§ Сформулировать действие для функции системы «Фильтр» по отношению к Продукту «Примеси» - «Задерживать» (retains).

§ Проверить правильность формулировки функции системы «Фильтр» визуально и по смыслу:

Выводы по экрану «Исходное описание ситуации»:

The presence of problems means the decrease of Filter’s attraction for the user. In other words, in user’s eyes the Filter loses its viability. Наличие проблем означает снижение притягательности Фильтра для Пользователя. Другими словами, Фильтр в глазах Пользователя теряет свою жизнеспособность.
The decrease of viability is possible to evaluate by the reduction of Filter value (ideality); the Filter value is the magnitude of relation of Filter useful functions to harmful ones. Снижение жизнеспособности можно оценить снижением идеальности Фильтра; идеальность Фильтра – величина отношения полезных функция Фильтра к вредным.
The general directions and stages of possible Filter changes are represented on Universal Scheme of Evolution. Главные направления и этапы возможных изменений Фильтра представлены на Универсальной Схеме Эволюции.

Окно ввода названия системы «Фильтр»

в блоки Универсальной Схемы Эволюции и в пояснения к блокам

Эволюция системы «Фильтр»

Этапы эволюции системы «Фильтр», характеристика этапов (пояснения к блокам)


Пониженная жизнеспособность Фильтра
Identification of problem that decreases Filter viability. It expresses our uncertainty that Filter will survive in a future. Выявление проблемы, которая снижает жизнеспособность Фильтра. Этим выражается неуверенность, что Фильтр выживет в будущем.

Пониженная идеальность Фильтра
Revealing of decreased value of Filter, i.e. the low ratio of Filter's useful to harmful functions. Выявление пониженной идеальности Фильтра, т.е. низкого отношения полезных функций Фильтра к вредным.

Создание нового Фильтра
Filter with necessary functions does not exist or existing Filter doesn't have resources for improvement. Фильтр с нужными функциями не существует или существующий Фильтр не имеет ресурсов для улучшения

Совершенствование существующего Фильтра
Filter has resources. У существующего Фильтра есть ресурсы

Объединение Фильтра1 и Фильтра2
When one of two Filters doesn't have resources. Combined Filters may be the same; or with difference in one and the same characteristic; or different Filters; or Filter and anti-Filter. Когда один или оба Фильтра не имеют ресурсов для улучшения. Объединяемые Фильтры могут быть – одинаковыми; с некоторой разницей по одному параметру; разными; Фильтром и анти-Фильтром

Выявление внешних НЭ Фильтра
Revealing of Filter External Harmful Effects by means of analyses of components, links, functions, flows, evolution, etc. Выявление НЭ «Фильтр – Надсистема» с помощью различных видов анализа – компонентного, структурного, функционального, потокового, эволюционного и т.д.

Выявление внутренних НЭ Фильтра
Revealing of Filter Internal Harmful Effects by means of analyses of components, links, functions, flows, evolution, etc. Выявление внутренних НЭ «Фильтр» с помощью различных видов анализа – компонентного, структурного, функционального, потокового, эволюционного и т.д.

Изменение[3] компонентов Фильтра
Trends of Effects use in Filter components
Changes of Filter properties
Changes of Filter in Substance, Space and, Time
Использование направлений развития для изменения компонентов Фильтра:
- Закономерное использование эффектов;
- Изменение свойств Фильтра;
- Изменение Фильтра (вещество, в пространстве и во времени)

Конкретное направление развития Фильтра - улучшать существующий или создавать новый – зависит от того, на каком этапе жизненного цикла Фильтр находится сегодня.

Выбор этапа жизненного цикла Фильтр на S-образной кривой призведен по характеру изменения обобщенного показателя – число людей, имеющих отношение к изучаемой системе «Фильтр».

Сегодня проблема чистой воды и здоровья является глобальной, поэтому можно предположить, что число пользователей фильтров быстро растет. Поэтому быстро растёт во времени и показатель Фильтра «польза/затраты».

Фильтр находится на 2-м этапе жизненного цикла (быстрый рост). Задачи 2-го этапа:

- устранить (снизить число) выявленных нежелательных эффектов (НЭ);

- выявить пределы развития Фильтра;

- задача на перспективу – начать разработку нового Фильтра.

Для выявления нежелательных эффектов (НЭ) с помощью USESoft проводится анализ системы Фильтр – компонентно-структурный и функциональный, строится функциональная модель.

Список функций и функциональная модель генерируются при вводе:

1. Компонентов, входящих в исследуемую систему «Фильтр»;

2. Пары компонентов и действия между ними.

В результате список функций и функциональная модель принимают вид:

Пояснения:

Пользователь меняет картридж (раз в 3 месяца) – эта функция показана как недостаточно эффективная: лучше было бы не менять вообще или много реже. Но в этом случае, при использовании сегодняшних фильтрующих сред, картридж, а с ним и корпус, были бы совершенно неприемлемых размеров.

Т.е. на сегодня найдено компромиссное решение: фильтр не очень большой и менять картридж приходиться не очень часто - раз в 3 месяца. Видно, что уменьшение размера картриджа, приведет к учащению его замены, и наоборот.

Для поиска глубинной причины исследуемой ситуации необходимо построить причинно-следственную цепочку (ПСЦ) нежелательных эффектов, выявленных с помощью построения функциональной модели. Для этого на экране «Построение ПСЦ» составляется список вредных эффектов, «ответственных» за выполнение вредных функций.

Выявленные вредные эффекты дополняются эффектами, которых в функциональной модели нет, но они являются причинами для выявленных. Процедура наращивания числа НЭ проводится до как можно более глубого уровня. Так, в список вредных эффектов:

§ Cartridge enlarges Case - Картридж увеличивает размер Корпуса, и

§ Appearance disturbs User - Внешний вид раздражает Пользователя

добавлены:

§ Long time of Cartridge use – Длительное время использования Картриджа

§ Too large size of case – Слишком большой размер Картриджа

USESoft позволяет составить список пар нежелателных эффектов в виде «причина – следствие», выявить ключевой НЭ и элемент Фильтра, который связан с ключевым НЭ:

§ ключевой НЭ Long time of Cartridge use (длительный срок использования картриджа) и

§ элемент, связанный с ключевым НЭ – Low ability of Filter medium of impurities’ retaining (низкая способность фильтрующей среды задерживать примеси)

Низкая способность фильтрующей среды (Filter medium) задерживать примеси заставляет делать картридж большим, что в итоге приводит к большому размеру фильтра. Чтобы исправить этот недостаток, нужно знать характеристики фильтрующей среды и внутреннее устройство картриджа.

В качестве аналога фильтру, описанному в условии задачи, взят бытовой фильтр Countertop Water Filtration System[4]

Filter uses a replaceable cartridge. Manufacturer of filter media: KDF[5] Fluid Treatment. Dimensions: 12” high, 5” diameter.

В качестве исследуемого взят CRYSTAL QUEST® 2-7/8" x 9-3/4" Multi Stage PLUS Filter Cartridge[6] с характеристиками:

Направления изменений Filter Medium согласно рекомендациям программы USESoft:

USESoft позволяет каждое направление изменения (совершенствования, развития, улучшения) раскрыть подробно. Так, например, совершенствование Filter medium с помощью направления «Использование эффектов»:

Видно, что в рассматриваемом картридже Filter medium расположена параллельными слоями и не имеет какой-либо особой структры. Возможное решение – придание фильтрующим слоям спиральной структуры, повышающей энергетическую эффективность прохождения воды и улучшающей фильтрацию примесей. Теоретическое обоснование предложения:[7]

3205 «Об установлении структурно-функциональных связей в транспортных каналах организма, обеспечивающих оптимальность в энергетических затратах» - новая концепция механики кровообращения: явление винтового потока крови в полостях сердца и в кровеносных сосудах, концентрическая спиральная сепарация микрочастиц в винтовом потоке крови.

2-я Сибирская конференция «Математические проблемы физики…», 06/98 http://www.philosophy.nsc.ru/life/journals/PHILSCIENCE/4_98/08_Eganova.htm

Спиральные каналы в слоях Filter medium много длиннее прямого пути, параллельного оси картриджа. Организацией движения фильтруемоей жидкости по спиральным каналам (при сохранении длины прохождения потока, сопоставимой с длиной картриджа) можно уменьшить высоту картриджа.

Cовершенствование Filter medium с помощью направления «Вытеснение человека»:

Задача-аналог:

1399 Франция, централизованные (встроенные) пылесосные системы в домах и квартирах:
§ не надо возить пылесос по комнатам
§ уборка полностью бесшумная
§ воздух, прошедший через фильтр, в комнату уже не возвращается
Централизованный пылесос.«НиЖ», 11/90, с. 46
ЗРТС: переход ТС в НС, обслуживание дома в целом, как освещение и отопление, канализация.

Решение: централизованная система фильтрования воды – можно использовать самые современные технологии очистки воды без необходимости уменьшать размеры фильтра. Например, PureMaster™ V-750 Premium Whole House Water Filtration System[8]

 

Cовершенствование Filter medium с помощью направления «Замена вещества, изменение в пространстве и во времени» с подстановкой Filter Medium в рекомендации к переходам:

Повышение эффективности работы Filter medium добавлением магнитной составляющей. Возможно, введение сравнительно тонкого магнитного фильтра позволит снизить толщину других слоев, например, толстых слоёв актвированного угля и/или ионообменной смолы.

Теоретическое обоснование предложения:

Совершенствование водоподготовки в радиоэлектронном производстве использованием принципа временного (до нескольких суток) изменения физических свойств воды под воздействием магнитного поля, что инициирует процесс выпадения солей жесткости ... в объеме воды в виде мелкодисперсного шлама, который улавливается фильтром.[9]

1214 Цеолиты - кристаллический каркас минерала состоит из алюминия, кремния и кислорода, а в порах строго определенного размера (меньше тысячной микрона!) "гнездятся" катионы щелочный и щелочноземельных элементов и молекулы воды. Эти пористые образования, освободившись при нагреве от воды, способны поглощать молекулы газов и жидкостей.
...фильтры для водопровода, дезактивации природных вод в районах АЭС.
Урусов В., Глушнев С. Сюрпризы «кипящих камней». «Соц.индустрия», 8/07/88.
5707 Вещества группы аэрогелей...
В случае аэрогелей древовидная структура вещества – этакие "перегородки", состоят из наночастиц размером 2-5 нм, а полые поры имеют размер менее 100 нм, при этом газом заполнено от 50% до 99% объёма вещества.
Уникальные свойства "замороженного дыма" – отличная прозрачность, очень низкая плотность в сочетании с приличной твёрдостью и потрясающей жаропрочностью…
Например, именно аэрогелем были заполнены ловушки, которыми брали пробу кометного вещества на комете Вайлд-2 (Wild-2) в процессе вояжа американского межпланетного зонда Stardust, запущенного NASA в феврале 1999 года.
Уникальные свойства современных образцов "замороженного дыма" могут быть использованы где угодно – от фильтрации загрязненной воды и защиты от высоких температур до ювелирной промышленности.
IT-байки: про замороженный дым
http://www.3dnews.ru/editorial/it_aerogel
 
4415 ... фильтрующий элемент, в котором роль мембран играют нанотрубки, сообщает Nanotechweb.
На основе ранее разработанной математической модели транспорта веществ через наноструктуры было сделано предположение, что скорость прохождения веществ через нанотрубки будет крайне высокой.
Благодаря большой плотности нанопор на единицу площади нанотрубки, физика динамики жидкостей и газов в ней отличается от классической. Как установили ученые, фильтр с плотностью пор 2,5 х 1011 на см2 пропускает жидкость от 100 до 100 тыс. раз быстрее, чем это предсказывает классическая теория жидкостей. Это позволяет создавать на основе наномембраны, коммерчески успешные системы фильтрации и опреснения воды.
... удалось сформировать в структуре фильтра нанопоры, аналогичные аквапорам в живых клетках, которые проводят воду довольно быстро.
Создан быстродействующий фильтр из нанотрубок
http://www.cnews.ru/newsline/index.shtml?2006/05/19/201724

Возможное решение - снижение гидравлического сопротивления Filter medium с помощью пульсаций: очистка забившихся каналов и более «текучая» вода позволят уменьшить толщину Filter medium за счет более энергичного взаимодействия воды и примесей с Filter medium

0933 Промывка фильтра с помощью пульсации самой фильтруемой среды.
1508 Непрерывная прочистка засорившихся фильтров с помощью пульсаций самого фильтруемого потока.

Теоретическое обоснование предложения:

В потоке возникают автоколебания: колебания воздуха в свистках, гудение телеграфных проводов, "пение" водопроводных труб. Главное свойство автоколебаний: колеблющаяся система сама управляет поступлением в нее энергии извне - возникает обратная связь; другие свойства: амплитуда колебаний не зависит от начальных условий, частота близка к собственной частоте колебаний).[10]

Экран USESoft «Выявление и формулирование противоречия, возникающего при попытке изменить Filter medium; поиск приемов разрешения противоречия»:

Эффективность работы фильтрующей среды зависит от площади контакта частиц фильтрующей среды с фильтруемыми частицами. При использовании существующей фильтрующей среды её объем большой, т.к. мала эффективная площадь (по сравнению со всей располагаемой) поверхности фильтрующей среды, контактирующей с частицами примесей.

Поэтому противоречие, которое надо разрешить, имеет вид:

Желательное снижение объема фильтрующей среды приводит к нежелательному снижению площади поверхности фильтрующей среды, контактирующей с частицами примесей.

В Матрице Альтшуллера приемы для разрешения типового противоречия «объем неподвижного объекта» - «площадь неподвижного объекта» отсутствуют (!?), хотя типовым и широкоизвестным приемом является дробление: «... при измельчении твердого тела увеличивается его общая поверхность при неизменном суммарном объеме и массе». Способы увеличения контактирующей поверхности - диспергирование, дробление, измельчение, распыление, дезинтеграция и т.д.

1. Segmentation = Дробление

1.1. Divide the Filter medium into independent parts.

1.2. Make the Filter medium easy to disassemble.

1.3. Increase the degree of fragmentation (or segmentation) of the Filter medium.

Реализация рекомендаций по приему «Дробление»:

Карт. 1214: использование цеолитов

Карт. 5707: использование аэрогелей

Карт. 4415 и 4963: использование нанотрубок

Согласно Matrix 2003[11] приемы для разрешения противоречия «объем неподвижного объекта» - «площадь неподвижного объекта»:

14. Curvature increase = Сфероидальность

3. Local quality = Местное качество

Реализация рекомендаций по приемам «Сфероидальность» и «Местное качество»:

Карт. 682 и 3205: использование свойств спирали

7. Nested doll = Матрешка

Реализация рекомендаций по приему «Матрешка» - введение магнитного фильтра в Filter medium

4. Symmetry change = Изменение степени симметрии

Реализация рекомендаций по приему «Изменение симметрии»:

Карт. 682 и 3205: использование свойств спирали

 

Можно сформулировать и такое противоречие:

Желательное снижение объема фильтрующей среды, связанное с уменьшением площади поверхности фильтрующей среды, снижает вероятность контакта фильтрующей среды с частицами примесей.

Для этого противоречия типовым противоречием будет: «площадь неподвижного объекта – сила» с соответствующими приемами разрешения:

1. Segmentation = Дробление

18. Mechanical vibration = Использование мехнических вибраций

35. Parameter changes = Изменение параметров

Указанным приемам соответствуют способы увеличения вероятности встречи частицы с поверхностью фильтра опять же дробление (реализация рассмотрена выше) и интенсификация относительного движения с помощью вибрации.

Реализация рекомендаций по приемам «Использование вибраций», «Изменение параметров» - снижение гидравлического сопротивления Filter medium с помощью пульсаций (очистка забившихся каналов + более «текучая» вода).

28 марта 2009 г.

Брайтон, Массачусеттс, США

 


[1] Здесь приведен сокращенный вариант. С подробным разбором задачи «Фильтр» можно познакомиться на сайте «ТРИЗ и Эволюция» по ссылке http://triz-evolution.narod.ru/Filter_90326.pdf

[2] Для удобства просмотра экранов USESoft установить масштаб страницы 150%

[3] Изменение компонентов Фильтра производится только ПОСЛЕ составления списка всех НЭ, построения ПСЦ, выявления ключевого НЭ и выявления компонента Фильтра, связанного с ключевым НЭ. Для этой операции в USESoft предназначен экран «Изменение системы/компонента».

[4] http://optimumhousestores.com/mm5/merchant.mvc?Screen=PROD&Store_Code=T&Product_Code=PE-CT&Category_Code=HHWQ

[5] Electro-chemical and spontaneous-oxidation-reduction (REDOX) filter media - special high-purity alloy blend of copper and zinc (KDF-55D ®, and KDF-85D ®).

[6] http://www.crystalquest.co.za/Water%20Filters/106stgfilhowwork.html

[7] Здесь и далее используется информация по фильтрам и процессам, накопленная в ТРИЗовской картотеке.

[8] http://www.equinox-products.com/PureMaster-V-750-PremiumWholeHouseWaterFiltrationSystem.htm

[9] Яковлева О.В. Технико-технологические основы совершенствования водоподготовки... Автореферат, М. 2008 г. www.mirea.ru/files/abstract/yakovleva.doc

[10] Ю.Саламатов. Система законов развития техники. http://www.trizminsk.org/e/21101450.htm

[11] Matrix 2003: Updating the TRIZ Contradiction Matrix by Darrell Mann, Simon Dewulf, Boris Zlotin, and Alla Zusman, CREAX Press, Jul. 2003

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.

Рубрики: 

Алфавитный указатель: