Задачи: разделение щепы, фильтр из металлоткани. 7 Система стандартов риз. 36 8 Использование химэффектов в изобретательстве 39

Вид материала

Задача

Содержание Вепольный анализ 2-е правило Система стандартов решения изобретательских задач 1.8. Использование химических эффектов в изобретательстве. 1.8.1. Эффекты образования-исчезновения вещества. Металлизация поверхности Получение газов Получение солей или соеди Выделение механической энергии Получение тепловой энергии Получение электрической энергии Получение световой энергии 2. Учебные задания для освоения триз. 2.2. Наилучшее решение основано на использовании ресурсов.

Подобный материал:

• Фильтр каталитической очистки газа, 31.85kb.
• Лекция №14-2008. Система стандартов российской федерации по защите информации, 198.62kb.
• Политика в области качества и охраны окружающей среды ОАО «соломбальский лдк», 22.18kb.
• Питания состоит из: топливный бак, топливный фильтр отстойник, топливный насос, карбюратор, 56.92kb.
• А. И. Майоров 2009 г. Техническое задание, 31.77kb.
• Система стандартов безопасности труда система управления охраной труда в организации, 3661.78kb.
• Темы курсовых работ по курсу «Практический аудит» Система нормативного регулирования, 15.99kb.
• Национальный стандарт российской федерации система стандартов безопасности труда система, 959.36kb.
• 2. Международное разделение труда, научно-техническая революция (нтр) и мировое хозяйство, 137.35kb.
• 2. Международное разделение труда, научно-техническая революция (нтр) и мировое хозяйство, 138.91kb.

Задача 0.1: На трубопроводе с горячей водой и паром образовалась дыра. Давление и струя вода с паром мешают плотно приложить металлическую заплату, чтобы приварить ее к трубе. Как быть? Рассмотрите Ваши предложения и опишите для них противоречия. (Рис.8)

Ход решения:

1. ТС для ремонта трубопровода

2. включает дыру на трубе; заплату и устройство для плотного прижатия заплаты к дыре.

3. Нежелательный эффект (НЭ-1): струя воды и пара отталкивает заплату,

4. Средство устранения (СУ): устройство для плотного прижатия заплаты.

5. НЭ-2: устройство сложное и мешает работе сварочного аппарата.

6. ТП-1: Если применить устройство прижатия заплаты к трубе,

7. * то можно удержать заплату на месте во время приваривания (сварки),

8. ** но устройство сложное и мешает сварке.

9. ТП-2: Если не применять устройство для прижатия заплаты,

10. * то отсутствующее "устройство" простое,

11. ** но заплата не держится на месте во время сварки.

12. Мини-задача: нужно быстро заварить заплату на дыре в трубе, не используя сложного громоздкого оборудования.

13. Главное ТП: ТП-2 (т.к. отсутствующее "устройство" предельно не мешает процессу завариваний заплаты к трубе").

14. Усиленное ТП: ТП-2 является предельно усиленным (т.к. отсутствующее "устройство" является предельно простым).

15. Идеально: во время заваривания заплата сама прочно удерживается на месте несмотря на давление струи при сохранении простоты отсутствующего "оборудования".

16. Выбор параметра ТС: нужно увеличить "СИЛУ" прижатия, строка № 10.

17. Обычно используют (СУ): сложное устройство (струбцину с формующей насадкой)

18. Какой параметр недопустимо ухудшается: "Удобство эксплуатации", №33, или "Удобство ремонта", № 34.

19. Рекомендуемые приемы РТП: 10/33 (1-28-3-25) и 10/34 (15-1-11).

20. Число приемов (ввести): 6 (1, 15, 28, 3, 11, 25)

21. Прием 1 "Принцип дробления": разделить объект на части...

22. Записать новую идею: заплата была целой, сделать ее состоящей из двух или нескольких частей...

23. Прием 3 "Принцип местного качества": разные части имеют разные функции...

24. Идея: пусть одна часть удерживает струю вода с паром, а другая - отводит их в сторону от места сварки. (рис.9)

25. Прием 28 "Замена механической схемы": заменить механический принцип на другой физический принцип действия или химический... (переход по полям, кратко записанных в формуле МАТЭМЭмХ от механического к акустическому, тепловому (ресурс!), электрическому, магнитному (сталь), электромагнитному или химическому...)

26. Идея: тепло как-то обеспечивает прижатие заплаты... химическое взаимодействие пара с чем-то снаружи приводит к росту заплаты...

27. Прием 25 "Принцип самообслуживания": объект сам способствует ремонту, сам себя обслуживает...

28. Идея: заплата сама себя удерживает на трубе, если она сделана из биметалла с внешним слоем из металла с большим коэффициентом теплового расширения - при нагреве паром такая заплата прочно охватит трубу (или заплата из металла с "памятью формы"...) Или не сама заплата, а устройство для ее прижатия. (рис.9)

29. Прием 15 "Принцип динамичности": характеристики объекта должны меняться так, чтобы быть оптимальными на каждом этапе работы.


2 идеи по решению задачи о заплате на повреждённой трубе



Рис.9


30. Идея: во время сварки зарплата плотно прижата устройством из биметалла, после сварки надо это устройство резко охладить, чтобы его отделить от заплаты.


31. Прием 11: "Принцип заранее подложенной подушки": в требуемом месте заранее что-то установите с требуемыми свойствами...

32. Идея: на возможном месте разрыва трубы установить: скобу из биметалла; намазать реагент, образующий твердый продукт с "паром" (есть аналогичный патент США для труботранспорта некоторых веществ).


Задача 0.2: Через колонну с алюминиевой стружкой пропускают пары брома, протекает реакция образования бромида алюминия (3):

2 Аl + 3 Br₂ ==> 2 AlBr₃ + Q (= 98 ккал/ моль = 412 кДж/моль).

Продукт улетучивается в виде пара, который потом охлаждают в конденсаторе. Для увеличения производительности данной колонны увеличивают подачу брома, при этом от перегрева плавится алюминий (Тпл.= 660 С) и его реакционная поверхность резко уменьшается - производительность падает. При повышенной температуре образуется примесь AlBr, который при охлаждении

Колонна синтеза бромида алюминия (3) при двух режимах подачи паров брома.




Рис.10


распадается (диспропорционирует) по схеме:

3AlBr ==> AlBr₃ + 2Al,

в результате требуемый (целевой) продукт загрязнен алюминием - из белого становится серым. (Рис.10)

Ход решения по программе MIP:

1. ТС для получения бромида алюминия (3)

2. включает колонну, пар брома, стружку алюминия.

3. НЭ-1: производительность установки мала.

4. СУ": увеличивают подачу паров брома.

5. НЭ-2: перегрев ТС (Аl плавится, реакции замедляется, качество продукта ухудшается: выделение алюминия и проскок брома).

6. ТП-1: Если увеличить подачу паров брома,

7. * то количество целевого продукта растет,

8. ** но система перегревается, качество продукта ухудшается.

9. ТП-2: Если не увеличивать подачу брома,

10. * то система не перегревается,

11. ** но производительность колонны мала.

12. Мини-задача: нужно резко увеличить производительность, исключив перегрев системы.

13. Главное ТП: ТП-1 (нужно много продукта, а колонн больше нет),

14. Усиление ТП: Если подать брома очень много, то можно получить больше продукта, но алюминий мгновенно весь расплавится.

15. Идеально: очень большая подача брома дает в той же колонне очень много белого продукта (без примесей алюминия и брома),

16. Выбор параметра ТС: Что надо улучшить "Производительность", строка 39.

17. Обычно используют (СУ): увеличивают подачу брома.

18. Какой параметр недопустимо ухудшается: теплота реакция производит перегрев - "Вредный фактор" самой ТС, колонка 30.

19. Рекомендуемые приемы РТП: в клетке 39/30 (22-35-13-24)

20. Число приемов (ввести): 4

21. Прием 22 "Принцип обратить вред в пользу"

22. Идея: хорошо бы - но неясно как...

23. Прием 35 "Изменение физико-химических параметров объекта изменить концентрацию..,

24. Идея: уменьшить концентрацию брома, подавая вместе с ним газ или пар вещества теплоносителя (инертного к реагентам ТС, лучше такого вещества, которое распадается в колонне с поглощением тепла, а продукты его распада газы не загрязняют целевой продукт и улетают)

25. Прием 13 "Принцип наоборот"

26. Идея: подавать алюминий в аппарат с бромом? Неудобно. ,

27. Прием 24 "Принцип посредника": применить реагент посредник

28. Идея: реагент вида XBr выбрать из условия, что тепловой эффект его реакции

Al + XBrn ==> AlBr₃ + X + Q1

Q1 - значительно меньше теплоты искомой реакции.

.Изобретатель Фомин В.К. (Пермь) выбрал бромид олова (4) с Ткип =217 °С (меньше Ткип Al₂Br₆ = 256, Тпл. Sn = 505 °С); Sn + 2 Br₂ ==> SnBr₄ + 365 кДж/молъ;

4 Al + 3 SnBr₄ ==> 4 AlBr₃ + З Sn + (118 кДж/молъ)

При этом часть тепла из колонны уносится также каплями жидкого олова.

Новая колонна синтеза бромида алюминия



Рис. 11

Тепловой эффект реакции уменьшился более чем в 3 раза. В первоначальной ТС имели место теплопотери через стенки и унос тепла с паром AlBr₃ - теперь добавился также унос тепла с каплями жидкого олова, стекающими в нижнюю часть аппарата. Как оказалось, в целом подачу брома можно теперь увеличить в той же колонне с алюминиевой стружкой в 10-15 раз, а объем аппарата увеличился вдвое, за счет добавления снизу бака-реактора с жидким оловом. В отличие от первоначального аппарата, где был нежелателен проскок брома, так как он попадал в конденсат целевого продукта, в новом аппарате, где бром расходуется по двум стадиям реакций, проскок на первой ступени не опасен, т. к. этот бром вступит в реакцию с алюминием на второй ступени.

6. ВЕПОЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
   

Веполь - минимальная полная модель ТС, описывающая взаимодействие веществ и входных и/или выходных полей, связанных с (конфликтом (ТП). В веполь входят вещества: В₁ - вещество, которое надо менять, обрабатывать, перемещать, обнаруживать, контролировать и. т.п.; В₂ - "инструмент", осуществляющий необходимое действие и приводящий к возникновение ТП; в веполь входит внешнее поле П-сила, энергия, обеспечивающие взаимодействие В₁ и В₂ , при котором возникает или устраняется ТП. Эти три компонента необходимы и достаточны для получения требуемого в задаче результата (16, 17). (Рис.12)

Под термином "вещество - B" понимаются любые объекты независимо от степени их сложности: лед и ледокол, резец или станок, (заготовка или сложное готовое изделие, трос и груз). Взаимодействие - всеобщая форма связи тел или явлений, осуществлявшаяся в их взаимном изменении. "Взаимодействие - это первое, что выступает перед нами, когда мы рассматриваем движущуюся материю в целом с точки зрения теперешнего естествознания. Мы наблюдаем формы движений: механическое движение, теплоту, свет, электричество, магнетизм, химическое соединение и разложение, переходы агрегатных состояний, органическую жизнь, которые все - если исключить пока органическую жизнь - переходят друг в друга, обуславливают взаимно друг друга, являясь здесь причиной, тем действием... " (К.Маркс, Ф.Энгельс, Соч. т.20, с.544).

Под термином "поле - П" понимают пространство, каждой точке которого поставлена в соответствие некоторая векторная или скалярная величина. Сюда относятся как 4 вида полей физических (форм материи, осуществлявших взаимодействие частиц вещества): гравитационное, электромагнитное, сильных и слабых взаимодействий, так и "технические" поля (механические, акустические, тепловые, электрические, магнитные и электромагнитные, химические - МАТХЭМ, точнее МАТЭМЭмХ). /16,26/. В веполь включают поля на входе и/или выходе ТС, которыми по условиям данной задачи можно непосредственно управлять - вводить, обнаруживать, изменять, измерять.

Принятые обозначения:

/\ - веполь в общем виде,

— - хорошее действие или взаимодействие в общем виде, без конкретизации.

—> действие, ==> избыточное действие, - - - недостаочное действие,

<—> взаимодействие,

---- действие (или взаимодействие), которое надо ввести по условиям задачи,

неудовлетворительное (вредное) действие или взаимодействие, которое по условиям задачи должно быть изменено,

П —> поле на входе (поле действует),

—>П - поле на выходе (поле хорошо поддается действию - изменению, обнаружению, измерению),

П'- состояние поля на входе (изменение его параметров, а не природы),

П"- состояние того же поля на выходе (с измененными параметрами),

В' - состояние вещества на входе,

В"- состояние вещества на выходе,

В' - В'' - переменное вещество, находящееся то в состоянии В', в состоянии В” (например, под действием переменного поля);

В# - структурированное вещество,

П~ - переменное поле,

П# - структурированное поле,


Виды веполей



Рис.12


Разрушение веполей



Рис.13

Как правило, в вепольных формулах ТС вещества записывают в строчку, входные поля вверху (можно также и снизу), выходные поля в нижней строке. Тогда В1, В2 и П образуют как бы треугольник. В геометрии треугольник минимальная геометрическая фигура, к сумме которых можно свести любую более сложную фигуру. Такую же фундаментную роль в технике играет "веполь":

На основании анализа развития ТС по патентному фонду выявлены следующие правила преобразования веполей.

1-е правило: невепольные система (В1 или П) и непольные веполи (В₁-В₂ или П-В₁) необходимо - для повышения эффективности и управляемости – достраивать до полного веполя; имеем:





Рис. 14

При поиске нового технического решения при этом безграничное поисковое пространство резко сужается: нужно рассмотреть ограниченное число вариантов недостающего для полного веполя элемента.

Пример: как разделить смесь щепы древесины или коры? Это бесчисленное число вариантов решения, поскольку имеем два вещества, переходим к меньшему перебору вариантов возможных полей, обеспечивающих их разделение. П гравитации плохое, т.к. плотности щеп мало различаются. Другие П механические, акустические, тепловые не пригодны в этой задаче; П электрическое - хорошо для разделения, но как ведут себя в нем щепки? Опыт показал, что в электрическом поле частицы коры заряжаются отрицательно, а частицы древесины положительно. Это позволяет построить сепаратор щепок. Если это резко усложняет систему, то рассмотрим возможности магнитного поля. Дано одно В₁ (щепки, коры), которое надо удалять из смеси - перемещать из ТС. Достроим веполь, добавив В₂ и П_x.. Например, до раздробления стволов древесины нанесем на кору частицы ферромагнитного вещества (В₂), а затем - после дробления - используем для сепарации П магнитное. Эти решения выглядят так:

Рис. 15

2-е правило: если а условии задачи имеется "вредный" веполь, то его нужно разрушить введением между плохо взаимодействующими веществами третьего вещества (В₃), лучше всего модификацией имеющихся В₁ или В₂ (В₁’ или В₂’), или внешней среды, или двух веществ вместе. Другая возможность разрушить вредное действия - ввести второе П₂, перейти к двойному веполю:

Рис. 16

Модификациями вещества могут быть отдельные его составляющие, соединения с другими веществами, само вещество в разных агрегатных состояниях, обладающее дополнительными свойствами: намагниченное, радиоактивное, светящееся и т.п. Например, модификации воды: лед или пар, водород и кислород (выделяющиеся при электролизе растворов соли), смеси с газом, твердым телом или другой жидкостью (аэрозоли, пены, суспензии, эмульсии...), слой турбулентной воды над ламинарным потоком и наоборот и т.п. лучше всего, если модификация наступает сама. (Рис.16)

Пример: Для очистки горячих газов от - немагнитной -пыли применяют фильтр-пакет из многослойной металлической ткани. Фильтр хорошо чистит от пыли, но именно поэтому его трудно потом очищать, частицы пыли прочно удерживаются нитями металлоткани. Как быть?

ТП: Если использовать металлоткань, то частицы пыли прочно удерживаются таким фильтром - фильтр хорошо очищает газ, но такой фильтр очень трудно очистить после засорения. Имеются 2 вещества, на стадии очистки фильтра между ними имеется временная связь (пыль В1 В2 нити) - прочное удерживание частиц пыли металлотканью, ее малыми ячейками. Для разрушения этой вредной связи ячейки должны стать очень большими - например, превращением нитей ткани (В2) в металлопорошок (В2') из ферромагнитного вещества, Тогда включением-выключением магнитного поля (Пмагн) таким фильтром легко управлять:



Рис. 17

При включенном электромагните образуются пористая структура фильтра, при выключении - частицы фильтра с пылью падают в приемную емкость, а при новом включении электромагнита образуется структура фильтра, пригодного для дальнейшей работы, а пыль остается в приемной ёмкости, откуда легко выгружается.

3-е правило: эффективность имеющихся веполей может быть усилена (форсированна) за счет изменения, увеличения степени дробления "инструмента'' ТС, за счет изменения поля в ТС по линии МАТЭМЭмХ за счет перехода от веполя к двойному веполю, к цепному веполю от действия на макрофизическом уровне к микроуровню - к действию, основанному на использования свойств вещества, его частиц (к действию, основанному на физическом и/или химическом эффекте(ах) /18, 27/. (Рис.14).

7. СИСТЕМА СТАНДАРТОВ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ
   

Анализ патентного фонда показал, что изобретательские задачи можно разделить на 2 вида: типовые и нетиповые. Типовые задачи решаются по четким правилам в 2-3 хода. Такие правила преобразования ТС были названы "стандартами на решение изобретательских задач". Совокупность таких правил, классифицированная на принципах вепольного анализа ТС, составила систему стандартов-76. Задачи, которые сегодня не относятся к типовым, со временем могут стать типовыми, после выявления еще неизвестных закономерностей /16, 18/. Стандарты появились как особо сильные сочетании приемов разрешения ТП и физических эффектов, затем в эту группу вошли правила преобразования ТС, вытекающие из законов их развития. Современная система стандартов-76 разбита на 5 классов в соответствии с направлением развития ТС.

Класс 1 - построение и разрушение вепольных моделей, правила их преобразования в зависимости от тех ограничений, которые приведены в условиях задачи.

Класс 2 - способы развития вепольных моделей путем небольшого их усложнения для повышения эффективности работы ТС.

Класс 3 - переход от ТС к надсистеме (НС) и на макроуровень, как отражение соответствующих законов развития ТС с целью формирования ТС.

Классы 2 и З включают стандарты, основанные на законах развития ТС: их развертывания и свертывания, повышения динамичности и управляемости, согласования и рассогласования элементов ТС, перехода на микроуровень или от решения в ТС к решениями в НС и др.

Класс 4 - обнаружение и измерение в ТС, решение таких задач имеет особенности, связанные с тем, что интенсивности энергетических потоков при измерениях на 1-2 подрядка ниже, чем при изменениях ТС. Но общие законы развития таких систем те же, что при изменениях,

Класс 5 - стандарты на применения стандартов имеют важное значение для повышения эффективности решений, полученных с помощью стандартов классов 1-4. Многие задачи решают прямым введением в ТС дополнительных веществ или полей - такие решения мало эффективны.

Нужно преодолеть противоречие: вещество (или поле) должно быть введено и не должно быть введено. В этом 5-м классе показаны некоторые пути разрешения таких противоречий - 25 таких путей, сочетаний приемов.

Применение большинства стандартов классов 1-4 приводит, по сути дела, к развертыванию ТС - к увеличению числа элементов, усложнению в ТС. Приемы класса 5 предназначены для свертывания, упрощения ТС при сохранении достигнутой эффективности технических решений.

Как было выше отмечено, система стандартов-76 является открытой, может пополняться после тщательной проверки предложений. Порядок применения стандартов следующий.

- Определить вид данной задачи: на изменение в ТС или измерение.

- Если задача на изменение, то построить исходную вепольную модель ТС исходя из условий задачи. Если модель - неполный веполь, то обратиться к стандартам подкласса 1,1. Если модель - веполь с вредной связью, то к стандартам подкласса 1,2. Если веполь недостаточно эффективен - к стандартам классов 2 и 3, которые также помогают прогнозировать путь развития ТС.

- Если задача на измерение - использовать стандарты класса 4.

- Найдя решение, проверить нельзя ли свернуть полученное решение, упростить ТС с помощью стандартов класса 5. К этому же классу можно обратиться и в тех случаях, когда в условиях задачи имеется запрет на введение веществ или полей.

Система стандартов-76 позволяет сразу решить примерно 20 % сложных современных задач. Она может использоваться в ходе решения и нестандартных задач (по АРИЗ-85 В) /9 ,16,19/, когда анализ задачи упрощает ее условия. Система помогает в прогнозировании развития ТС, в развитии и усилении полученных технических решений.

Эта система лежит в основе программы ИМ-С, входящей в пакет программ "ИМ", разрабатываемой НИЛИМ (Минск) и Технооптимайзер (TechnoOptimaizer of IMCorp, Boston).


1.8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВЕ.

Выше рассмотрены применения фонда физических эффектов при решениях инженерных, изобретательских задач [7, 10, 16, 17, 25]. При поиске решений по методу "проб и ошибок", как показали статистические оценки, доля изобретений, опирающихся на прямое использование физических эффектов, составила 2%. В то же время такие технические решения отличаются повышенным творческим, качественным уровнем, заметным повышением эффективности решений. Применение ТРИЗ при поиске новых идей позволяет целенаправленно, методически обоснованно стремиться к прямому использованию физических эффектов в новых решениях. Аналогичные оценки по применению химических эффектов в технике показали, что они еще меньше [18, 27]: среди изобретений во всех отраслях доля таких решений не более 0,01%, а среди изобретений в химии она составила около 2%. Опять-таки применение химических эффектов в основе идей технических решений позволяет обеспечивать качественно новый, более высокий их уровень. В связи с этим в ТРИЗ ведется работа по обобщению опыта изобретателей и выработке рекомендаций, по использованию химических эффектов при решениях изобретательских задач. Фрагмент такого указателя приведен здесь как средство помощи, опирающееся на анализ современного патентного фонда.

В данном указателе, таблица которого приведена в конце пособия, химические эффекты подразделены на группы по следующим признакам: появления-сохранения-исчезновения требуемого вещества в целях обеспечения требуемого свойства в ТС, выделения-поглощения энергии; далее эффекты подразделены на поверхностные и протекающие в части или во всем объеме ТС. Вероятно, химические эффекты следует также подразделять по признаку обратимости, что существенно для них в отличие от физических эффектов (большинство физических эффектов необратимо) и по типам химических реакций.




Рис.18



Рис. 19




Рис. 20

1.8.1. ЭФФЕКТЫ ОБРАЗОВАНИЯ-ИСЧЕЗНОВЕНИЯ ВЕЩЕСТВА.

В ТС применяют способы получения металлов, газов, соединений как на поверхности, так и в объеме составляющих ТС тел-веществ (см. Указатель химэффектов в приложении).

Металлизация поверхности позволяет улучшить ее свойства: обеспечить или увеличить электропроводность, блеск - внешний вид, коррозионную устойчивость, ослаблять, регулировать коэффициент трения, способствовать упрочнению контакта запрессованных деталей, регенерировать изношенную поверхность изделий, регулировать прочность крепления пленки или детали к основе. С этой целью используют растворимые соли металлов, металлоорганические соединения (растворимые в неводных средах), оксиды металлов, летучие соединения (галогениды, карбонилы и др.) металлов. Восстановление производят реагентами (гипофосфитами в водных растворах, глицерином для оксидов, растворами натрия в жидком аммиаке и др.) или электротоком на катоде. Управляют ходом процессов восстановления тепловым (нагревом общим в камере, печи, ванне или местным -только детали или же места их контакта-трения) или электрическими полями. Часто опираются также на приемы разделения в пространстве и/или времени, как например, в газотранспортных реакциях: получают в камере карбонил (хлорид) металла, при соответствующей температуре переводят его в газ-пар для переноса в зону осаждения (термораспадом или восстановлением).

Выделение металла в «объеме» тел позволяет получать: металлодревесину (до 10-25% меди) или получать металл в других пористых телах; фоточувствительные стекла (потемнение которых зависит от силы светового потока - за счет обратимости распада-образования добавки хлорида серебра); переводить металлы в иные степени окисления в составе тех же соединений. (Рис.19).

Получение газов позволяет обеспечить изменение поверхности - ослабление контакта тел, их трения; уменьшение прочности стали (вследствие наводораживания) и ее плотности; изменение давления ТС и регулирование за счет этого теплопередачи; вытеснение одного растворимого газа другим; изменение состава газа (получать из кислорода озон); обеспечить сигнализацию газом о состоянии или местонахождении ТС (пахучим веществом - этилмеркаптаном, самовоспламеняющимся газом - смесью фосфитов на воздухе или этиленом с озоном и т.п.). Требуемые микроколичества воды в составе ТС могут быть обеспечены в нужном месте синтезом ее из водорода действием оксида меда при нагреве или из кислорода и гидрида металла, или разложением соединений (газогидрата, кристаллогидрата или гидрогеля).

Получение солей или соединений металлов на поверхности изделий основано: на осаждении готовых соединений из взвесей растворов или соединений (гидрооксидов и др.), образуемых при электролизе на катоде или аноде в присутствие нужного аниона, катиона; на образовании или распаде соединений при нагревании, в том числе используя промежуточные активные формы, возникающие в момент распада исходного соединения, присоединение воды к соли (с изменением цвета). Весьма эффективны решения, использующие молекулярные превращения в объемах тел на основе метода возникающих реагентов: требуемое вещество появляется, высвобождается из химически связанной формы практически одновременно во всех точках пространства ТС - такой метод существенно повышает качество продукта реакции. Внутримолекулярные перегруппировки связей (как ковалентных, так и переход от ионных к ковалентным связям) позволяют обеспечить молекулярно-точное дозирование реагентов одновременно во всех точках аппарата-реактора. Проводятся исследования в направлении получения микросхем на молекулярном уровне. Химические эффекты окисления, гидрирования, синтеза на основе новых катализаторов и выбора соответствующих реагентов, использования различных физико-технических полей позволяют обеспечить получение веществ с требуемыми свойствами.

Во многих случаях в ТС требуется кратко- или долговременное сохранение каких-либо веществ с целью легкого их выделения в требуемое время и в нужном месте, в нужной форме. С этой целью используют малоустойчивые соединения (перекись водорода, пероксиды и оксиды металлов как источники кислорода и др.), соединения, распадающиеся при ударе, нагреве (взрывчатые вещества, гидраты) или под действием света; используют синтез соединений из компонентов и выделение их из структуры гелей, воска или глины (лекарств, растворителей, взрывчатых веществ и пр.). Хранение активных веществ в геле обеспечивает увеличение срока сохранности, замедление выделения в свободной активной форме (например, удлинение времени действия лекарств в живых организмах - более эффективное его действие при уменьшении потребления и с меньшими вредными последствиями).

Кроме получения веществ в ТС нередко бывает необходимо через некоторое время после начала ее работы обеспечить исчезновение некоторого ранее введенного вещества, в частности, некоторое свойство бывает необходимо в начале и оказывается вредным в конце цикла работы ТС, т.е. иногда бывает нужно обеспечить «Исчезновение вещества». Это «исчезновение» может происходить как физическим путем (испарением, расплавлением), так и физико-химическим (растворением) или химическим связыванием (c возможным последующим улетучиванием, испарением, растворением и т.п., или без улетучивания - путем превращения вещества-добавки в основное вещество ТС или в инертное вещество, не влияющее на paботу ТС). (Рис.16).

Для удаления веществ с поверхности тел используют: окисление (сильными, как озон, или "мягкими", как пары воды, углекислый газ, окислителями); обработку кислыми (лучше отходами соседних ТС) или чередующимися модифициро-ванными то кислотными, то щелочными или то окислительными, то восстановительными) растворами; фото- или термо-разложение, электролиз на аноде или катоде, водородный перенос. Для "исчезновения" вещества в объеме ТС применены: окисление добавки металла чистым кислородом с превращением в оксид (основное вещество ТС), превращение в хлорид или карбонил металла (летучие соединения при небольшом нагреве), термораспад или перекристаллизация.

К способам исчезновения веществ можно отнести и приемы очистки от вредных примесей основного вещества ТС. Сюда относятся приемы: окисления озоном, взаимная нейтрализация разных по химическим свойствам отходов, увеличение молекул адсорбентов (гидроксиды на полимерах и т.п.), образование газогидратов, растворение веществ а сжатых газах, а также улучшение условий кристаллизации осадков (как например, методами возникающих реагентов или молекулярно-точного дозирования).

1.8.2. Эффекты выделения-поглощения энергии

Известно, что большинство химических превращений связано с эффектами выделения или поглощения тепловой энергии - химические реакции делятся на экзо- и эндотермические. Кроме тепловой энергии с химическими эффектами связаны также следующие формы энергии: механическая энергия как за счет изменения теплосодержания (температуры) TC так и за счет различия агрегатных состояний исходных веществ и продуктов химических превращений, за счет изменений их структуры; электрическая и световая энергии.

Выделение механической энергии: выделение в форме механической энергии связано с выделением продуктов реакции в виде газа-пара и повышением давления в замкнутой ТС, при появлении отверстия в такой ТС может быть получена газовая или газо-жидкая структура веществ. Реакция разложения бикарбоната аммония, газо- или кристаллогидратов протекают при небольшом подогревании и, если ТС замкнута, являются обратимыми - при охлаждении давление падает и распавшееся соединение кристаллизуется в месте охлаждения (кристаллогидрат образуется в том же месте, где он был помещен - не обязательно в месте охлаждения). Изменение давления в ТС и других механических свойств вещества ТС происходят при введении в состав ТС геля, добавки некоторых полимеров, восстановлении оксидов, пенообразовании, действии клея, термораспаде металло-органических соединений (в металлоплакирующих смазках).

Получение тепловой энергии: многие самопроизвольно протекающие химические реакции сопровождаются выделением теплоты, с помощью теплоизоляции (шлаком и т.п.) обеспечивают концентрирование этой энергии, например, при использовании термитных составов (выделяющих поэтому требуемый металл обычно в виде расплава), самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС по открытию СССР № 267) - бескислородного горения металлов с неметаллами и др. процессы. Солнечную энергию можно запасти в виде «синтез-газов»; действуя на смесь метана и углекислого газа или метанол, или на хлористый сульфурил - накопленная тепловая энергия может быть выделена по реакциям горения или обратного синтеза. Разработаны способы накопления теплоты путем получения устойчивых пересыщенных растворов, которые это тепло выделяют в момент кристаллизации, инициированной добавкой кристалла растворенного вещества. Такой раствор в пересыщенном состоянии регенерируется нагреванием, запасая часть затраченного тепла - метод «тепловых консервов». Разработан подогреватель из смеси оксида кальция и порошка алюминия, реакция между которыми с выделением тепла вызывается небольшой добавкой воды.

Процессы создания запаса тепловой энергии относятся к процессам поглощения тепла. Сюда же относятся многие эндотермические процессы, в частности, при растворении некоторых солей в воде можно достичь достаточно низких температур.

Получение электрической энергии: хорошо известны химические источники тока, использующие обратимые или необратимые окислительно-восстановительные реакции: химические элементы, батареи и аккумуляторы. Имеющиеся источники тока практически исчерпали возможности их совершенствования и увеличения энергоотдачи - количества анергии на единицу массы источника (особенно мала она у свинцовых аккумуляторов). Здесь особенно нужны новые идеи - или на иных химических реакциях, или на новых изобретательских подходах к имеющимся источникам.

Хотя большинство известных полимерных материалов являются диэлектриками и неэлектропроводны, но были синтезированы высокобромированные полимеры, которые являются электропроводными. Такое же свойство диэлектрикам можно придать с помощью гидрофильных красок. Синтез полимеров в электрическом или другом физическом поле позволяет получать новый класс веществ - пленки - электреты, т.е. носители постоянного, распределенного электрическое заряда. Эти пленки позволяют решать самые разные технические задачи: маломощные источники электроэнергий и ветроэнергетические установки, датчики контроля разных параметров техники (перемещения, измерения зарядов, температуры и пр.), прикрепления частей системы друг к другу и др.

Получение световой энергии: многие процессы горения могут служить как источниками света в светильниках, так и сигнализаторами наличия или места трудноконтролируемых объектов. В качестве последних особенно полезны самопротекающие процессы с выделением света, как-то: самовозгорание смеси фосфинов на воздухе, этилена с озоном и т.п. реакции. Процессы свечения позволяют разрабатывать оптические методы анализа качественного и количественного состава веществ, особенно эффективны методы рентгено-спектрального; анализа при наличии аппаратуры высокой чувствительности и разрешения. Избирательное поглощение в спектре энергии тоже используют в различных оптических методах анализа химического состава веществ объектов техники, в частности, с использованием так называемых цветных реакций в растворах.

Поглощение солнечной лучистой энергии получением синтез-газов или пересыщенных растворов позволяет запасать впрок тепловую энергию (применять "тепловые консервы").

Таким образом, можно различить следующие основные виды применений химических эффектов в техническом изобретательстве: получения, сохранения и исчезновения вещества и/или различных видов энергии (главным образом, тепловой, электрической, механической и световой). При этом находят применение чаще всего окислительно-восстановительные реакции и перегруппировки молекул, а также реакции комплексообразования, Синтез полимеризацией, получение новых форм веществ (гели, кристаллы, изомеры и пр.), все реже - реакции обмена.


2. УЧЕБНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОСВОЕНИЯ ТРИЗ.

2.1. ХОРОШАЯ ФОРМУЛИРОВКА ПРОТИВОРЕЧИЯ - ПОЧТИ РЕШЕНИЕ.

Пример (решения задач 1.1 и 1.2)

1.1. В аптеках часто надо смешивать разные жидкости, сильно различающиеся по вязкости - типа водный раствор и глицерин. Наливают их в сосуд и перемешивают, например, чём-то типа "ложечки" - этим гениальным изобретением человечества, сделанным много сотен лет тому назад. Но есть жидкости, которые нельзя держать в открытом сосуде - испаряются или портятся от контакта с воздухом. Приходится перемешивать в бутылке, закрытой пробкой - встряхивать их долго, что неудобно и затруднительно, если таких бутылочек очень много. Как быть? Хорошо бы просто перемешать ложечкой… (Рис . 21).



Рис. 21. Устройство для перемешивания двух слоев жидкости в склянке.

Технические противоречия (ТП): Обычно пытаются применить машину для встряхивания. ЕСЛИ перемешивать с помощью машины, ТО освобождаются руки человека, НО такое решение громоздкое и неудобное (на практике оно применяется в случае необходимости перемешивать час и более). Если перемешивать просто мешалкой, похожей на ложечку, ТО решение простое, НО недопустим контакт жидкости с воздухом.

ЕСЛИ бросить в бутылочку ложечку (шарик и т.п.), ТО перемешивание при взбалтывании ускоряется, НО трудно такую ложечку (шарик) вылавливать в бутылке после перемешивания. Обычно после перебора 5-10 подобных вариантов слушатели приходят к выводу: з задаче нужны и пробка, и ложечка… ТП разрешается, если их объединить: ложечка укрепляется на пробке - это и есть решение по авт.св. №303100. Заодно выявляется ПРИНЦИП ОБЪЕДИНЕНИЯ как один из приемов решения изобретательских задач (РИЗ) и разрешения технических противоречий (РТП). (Рис.21).


1.2. На химзаводе мёжду цехами нужно проложить трубопровод из стеклянных труб. Выкопали экскаватором траншею, насыпали самосвалом на ее дно песок и уложили трубы. Но даже при небольших неровностях дна трубы ломаются при их засыпке песком на участках между буграми дна. Конечно, можно было бы выровнять дно траншеи самым тщательным образом, но это долго и дорого. Как быть?

ТП: Если выровнять дно лопатами, ТО труба ляжет на ровный песок и при засыпке не ломается, НО такое решение дорогое.

Если не выравнивать, то дешево, но труба при засыпке ломается. ТП разрешается, если песок на время засыпки сделать жидким - подавать его в виде водопесчаной пульпы, но возникает новое ТП:

…ЕСЛИ подавать пульпу, то песок сам выровняется, но дно траншеи будет строго горизонтальным, а трубы кладут с уклоном. Новое ТП разрешается с изменением порядка укладки: трубу укладывают на неровное дно с нужным уклоном, затем постепенно порциями подают пульпу до тех пор, пока труба не скроется под слоем песка, после чего засыпку продолжают обычным образом. Методически: используют приемы разрешения ТП во времени, изменение физико-химического состояния одного элемента (песок «на время» делают «жидким» - превращают его в «пульпу»).

1.3. Дорожный светофор - это стойка, на которой укреплены коробка с лампами и цветными стеклами. Иногда коробку светофора требуется сместить вверх или вниз, вправо или влево. Посылают бригаду рабочих, они откапывают основание стойки, меняют ее или ее установки и снова устанавливают - уходит половина рабочей смены. Как сделать, чтобы стойку (точнее место установки) светофора можно было изменить за 10—15 мин.?

1.4. Деревянную опалубку для бетонных работ делают из досок, которые скрепляют между собой гвоздями. Чтобы опалубка была прочной, нужно гвозди забивать полностью, заколачивая в доски их шляпки. Потом такую опалубку трудно разбирать - при вытаскивании гвоздей портятся доски. Для облегчения вытаскивания гвозди надо бы забивать не до конца... Как быть?

1.5. Задача Огюста Пикара: он первым поднялся в стратосферу, для этого ему пришлось изобрести и сделать герметичную алюминиевую кабину. Оболочка стратостата имеет в нижней части клапан для выпуска газа с целью регулировки подъема-спуска. Управляли клапаном из гондолы-кабины с помощью троса - потянешь за трос и клапан откроется, отпустишь - закроется. Форма стратостата в полете сильно изменяется: на поверхности земли он сильно вытянут, в стратосфере он сферический. В результате расстояние от клапана до кабины меняется на 20 м, трос должен свободно удлиняться на эту величину, в любой момент обеспечивая надежное управление клапаном стратостата. Трос проходит сквозь крышу кабины: он должен проходить свободно и должна быть сохранена герметичность кабины. Как быть? (рис. 22).



Рис. 22. К задаче об аэростате.

1.6. В трубе движется жидкость. Для ее очистки на первых циклах нужен керамический фильтр. Выполнен он в виде плоского круглого диска. После завершения очистки жидкости фильтр бесполезно увеличивает гидравлическое сопротивление в трубе. Как избежать этого?

1.7. В трубе, по которой движется газ, установлена поворотная заслонка. Иногда температура газа повышается неконтролируемо на 30°С. С повышением температуры уменьшается плотность газа, падает количество газа, проходящего через трубу в единицу времени. Надо обеспечить постоянство расхода газа для каждого угла поворота заслонки.

1.6. В резервуарах для хранения нефти имеются потери из-за испарения. Известен способ хранения, по которому поверхность нефти закрывают плавающими экранами. Испарение резко уменьшается, если зазор между экраном и стенкой мал, но стенка деформируется под действием меняющейся нагрузки и мешает свободному движению экрана. При большом зазоре экран двигается свободно, но нефть сильно испаряется. Как быть?

2.2. НАИЛУЧШЕЕ РЕШЕНИЕ ОСНОВАНО НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕСУРСОВ.