Innov'INSA: Bouilloire

Introduction

 

Nous avons tous déjà utilisé une bouilloire au moins une fois dans notre vie. Qu'elle soit métallique ou en plastique, grande ou petite ... sa fonction principale est de faire bouillir de l'eau. 

Dans le cadre de INNOV'INSA, nous avons choisi d'améliorer cet élément de cuisine indispensable à tout amateur de thé dans la vie quotidienne. En effet, il s'agit d'un objet basique dont la technologie n'est pas très compliquée.

Le but de ce projet est d'utiliser la méthode TRIZ. Cela implique le fait de ne pas partir en ayant déjà une idée d'amélioration. Nous allons donc grâce à la méthode TRIZ, trouver les problèmes existants sur la bouilloire actuelle en se basant sur des lois d'évolution. Ces lois permettent de trouver une solution innovante, si on applique la méthode de manière rigoureuse.

Nous allons donc commencer par analyser notre objet actuel, et ainsi trouver ce qui pourrait être amélioré en utilisant les polycontradictions. Puis, nous allons chercher à résoudre ces polycontradictions à l'aide de matrices. Enfin, nous proposerons plusieurs solutions réalisables avant de choisir la meilleure de notre point de vue.

 

 

État de l'art

Avant d'attaquer l'analyse de la bouilloire, nous allons étudier son évolution au cours du temps. Et voir les différentes bouilloires existantes aujourd'hui:

  • Les premières bouilloires apparaissent à la Renaissance, c'est à dire au XVIe siècle. Elles sont métalliques (en cuivre) et ont besoin d'une source de chaleur pour chauffer : elles sont d'abord posées sur le feu.

 

  • Elles evoluent encore avec l'apparition du sifflet, mais il faut encore une source de chaleur (feu, gazinière...)

 

  • 1956 : début des bouilloires électriques : celles-ci ressemblent beaucoup aux bouilloires traditionnelles, elles possèdent encore un sifflet permettant de savoir quand l'eau est chaude.

  • Aujourd'hui, les bouilloires n'ont plus besoin de sifflet car elles possèdent un arrêt automatique lorsque l'eau bout. Par ailleurs les matériaux utilisés ont changé, certaines sont en plastiques, d'autres sont restées métalliques. De plus, la plupart des bouilloires sont posées sur un socle et ne sont pas directement branchées au secteur pour chauffer. Il est alors plus simple de la prendre pour servir l'eau chaude.

                                

 

Analyse

Pour effectuer l'analyse de notre objet à améliorer, nous avons suivi les différentes étapes de l'outil STEPS:

- Le graphique d'intégrité des parties
- L'analyse Multi-écrans
- Les lois d'évolution
- Les polycontradictions

Toutes ces étapes vont nous permettre de trouver les atouts et les défauts de la bouilloire actuelle.

Graphique d'intégrité des parties

Tout d'abord nous avons modélisé le système à étudier selon la loi d'intégrité des parties. Cette loi est essentielle pour comprendre le fonctionnement de l'objet étudié ainsi que sa constitution élémentaire.


Dans notre cas, le moteur est représenté par le circuit électrique. C'est lui qui fournit l'énergie à la résistance thermique (élément de transmission). Le travail correspond à la chaleur libérée par la résistance thermique. Il permet de chauffer l'eau. Enfin le système est bouclé par l'élément de contrôle (le thermostat) qui stoppe le processus de chauffe une fois la température atteinte.

 

Analyse Multi-écrans

L'analyse Multi-écrans nous permet de prendre du recul et d'effectuer une comparaison entre les systèmes du passé et du présent en notant les évolutions positives et négatives de l'objet d'étude. Cela nous donne les points d'amélioration possibles pour le futur:

  • Dépendance du réseau électrique
  • Durabilité
  • Calcaire (encrassement)
  • Conservation de la chaleur

 

 

Lois d'évolution

Nous avons analysé, au travers de chaque loi, les directions d'évolution potentielles originales pour la bouilloire:

  • Loi 1 : Intégrité des parties 5/5

La bouilloire possède quatre parties principales qui lui permettent de remplir parfaitement la fonction "Chauffer l'eau"

  • Loi 2 : Conductibilité énergétique 3/5

L'encrassement de la bouilloire provoque une perte d'énergie. Pour améliorer cette loi, il faudrait trouver un matériau qui limite le dépôt du calcaire.

  • Loi 3 : Harmonisation 3/5

La bouilloire pourrait être plus harmonieuse en adaptant son volume en fonction de la quantité d'eau à chauffer. 

  • Loi 4 : Idéalité 2/5

Actuellement, la bouilloire n'est pas idéale. Des progrés restent à faire comme un chauffage instantané ou bien l'absence de récipient. En effet, cela permettrait un gain de place dans la cuisine de chauffer l'eau directement dans la tasse ou la théière.

  • Loi 5 : Développement inégal 5/5

Toutes les parties constitutives de la bouilloire ont évolué de manière égale. 

  • Loi 6 : Transition vers un super-système 3/5

Il serait intéressant de créer une indépendance de la prise électrique. Dans notre cas, l'électricité serait notre super-système et la bouilloire produirait l'électricité nécessaire pour chauffer l'eau elle-même. Par exemple, celle-ci pourrait être dôtée d'une batterie rechargeable par l'énergie photovoltaïque permettant de la rendre nomade. 

  • Loi 7 : Transition vers le micro-système 1/5

La bouilloire actuelle reste assez imposante. En effet, elle se doit de contenir un certain volume d'eau. Un micro-système consisterait à la réduire à une simple résistance que l'on pourrait plonger directement dans la boisson à chauffer. 

  • Loi 8 : Dynamisation et contrôlabilité 2/5

Le récipient est rigide et volumineux. Il serait intéressant d'imaginer une bouilloire dont le volume serait variable, c'est-à-dire, flexible ou emboittable.

  • Loi 9 : Accroissement substance-champ 3/5

Actuellement, la bouilloire ne remplit qu'une seule fonction : Chauffer l'eau. Il serait innovant de lui ajouter de nouvelles fonctions pour accroître son champ d'activité. Voici les différentes idées que nous avons eu :

- Ajouter un infuseur à la résistance

- Pouvoir chauffer plusieurs liquides grâce à un thermostat réglable pour choisir la puissance de chauffe. 

 

Nous obtenons le diagramme suivant:

 

Polycontradiction

L'étape suivante fut de développer des polycontradictions. Nous avons sélectionné des paramètres que l'on considérait comme "Paramètres d'Action (PA)". Ici il s'agit de "Volume", "Calcaire" et "Résistance thermique". Nous avons ensuite rempli les parties nommées Va pour ainsi choisir les Paramètres d'Evaluation (PE)

Exemple: Pour le PA "Calcaire"

Si la bouilloire est propre, la résistance thermique est protégée, la température est mieux régulée et la bouilloire sera durable. Cependant, ceci entrainera un coût de production supplémentaire (matériau qui ne laisse pas le calcaire s'accrocher à la paroi ou à la résistance)

 

Ces paramètres (PE) étant ajoutés pour chaque PA, nous les avons pondéré (de 1 à 10) suivant leur importance. (Exemple: la dangerosité est à prendre au sérieux → note=10)

Ces notes nous permettent de sélectionner le PE avec la note la plus haute (paramètre à prendre en compte pour l'innovation).

 

 

 

 

Résolution

L'analyse des polycontradictions nous a amené à trouver les Paramètres d'Action (PA) les plus significatifs, ainsi que les Paramètres d'Évaluation (PE) ayant le plus d'infleunce dans le système étudié. Nous avons pu créer des matrices de résolution de contradictions techniques pour deux PA:

  • Le calcaire

Les PE désignés par les polycontradictions sont la protection de la résistance thermique et le coût de production d'une bouilloire qui ne s'encrasse pas.  

Nous avons sélectionné des paramètres génériques parmi les 39 existants afin d'obtenir les principes inventifs pour résoudre la contradiction.

Après avoir lu toutes les propositions, nous en avons sélectionné quatre pour ce PA : 

  1. Sphéricité: Il s'agit ici d'appliquer une résistance tournant sur elle-même pour éviter le dépôt de calcaire.
  2. Action préalable: Il faudrait ajouter un filtre pour enlever le calcaire de l'eau à l'entrée de la bouilloire. 
  3. Extraction: Une solution serait de retirer le récipient où est chauffée l'eau, c'est-à-dire chauffer l'eau directement dans la tasse ou la théière.
  4. Matériaux composites: Nous pourrions utiliser un matériau composite permettant d'éviter le dépôt de calcaire, celui-ci ayant peu d'affinité avec le matériau ne s'y déposera pas.

 

  • La résistance thermique

Les PE ayant le plus de poids sont l'encrassement faible et la dangerosité. Nous obtenons la matrice suivante:

Les principes évolutifs obtenus sont:

Pour ce PA nous avons sélectionné 2 solutions:

  1. Membrane flexible: Il s'agit de placer une membrane temporaire (valable pour plusieurs utilisations) dans la bouilloire avant de mettre l'eau. Cela permettrait d'éviter tout dépôt de calcaire dans la bouilloire ou sur la résistance car l'eau ne serait jamais directement en contact avec ces éléments. En revanche, le matériau utilisé devra résister à la chaleur.
  2. Matériau composite: L'option de la resistance seule parait trop dangereuse. Il faudrait alors rajouter une cage protectrice en matériau composite résistant à la chaleur.

 

Solutions

 

Le dessin ci-desous illustre les principes de sphéricité (résistance tournante) et d'action péalable (filtre à calcaire).

 

 

 

 

Ce dessin illustre le principe d'extraction (le récipient est retiré). En revanche, la resistance thermique est facilement accessible pour l'Homme: cela engendre un risque de brûlure. Cette solution paraît alors trop dangereuse, nous avons donc cherché à l'améliorer.

 

 

Ce dernier dessin propose une innovation suivant les principes d'extraction et de matériau composite

Il s'agit d'une résistance enfermée dans une cage en matériaux composites ne conduisant pas la chaleur. La résistance peut alors être rétirée en toute sécurité par l'utilisateur une fois l'eau chauffée. La cage permet tout de même une bonne circulation de l'eau à travers car elle possède de petits trous. Nous avons décidé de relier cette résistance à une batterie, en effet cela nous permet de ne pas être dépendant du secteur. Nous pouvons emmener notre "bouilloire" partout avec nous du moment que la batterie est chargée.

 

 

Pour en revenir à la loi 9 d'évolution (accroissement substance-champ); toutes ces solutions pourraient être munies d'un infuseur et d'un thermostat réglable permettant de choisir la puissance de chauffe.

Conclusion

 

Parmi ces 3 solutions, nous avons choisi la dernière solution qui nous parait être la plus innovante et la plus complète en matière d'évolution. En effet, elle satisfait un grand nombre de contradictions et ainsi de solutions proposées : la sphéricité, l'extraction, l'usage de matériaux composites, et annule la solution "action préalable" (qui est d'ajouter un filtre contre le calcaire). De plus, elle permet un gain de place et peut être utilisée partout de part sa taille et sa batterie rechargeable. Enfin, cette "bouilloire" nous parait plus esthétique que la bouilloire actuelle ce qui est un atout de nos jours pour la vente.

Cette solution permet également d'ajouter facilement la fonction d'un infuseur au système. En effet, nous pourrions inclure un deuxième compartiment à l'intérieur de la cage pour y ajouter du thé. Par ailleurs, grâce à un thermostat réglable, nous pouvons choisir de l'utiliser soit dans une tasse (puissance faible) soit dans une théière (puissance élevée). Afin de rendre cette transition possible et sans risques pour l'utilisateur, nous comptons ajouter un bras télescopique à cette resistance.

Pour aller plus loin dans l'innovation, il serait intéressant de trouver un moyen de recharger la batterie grâce à des énergies renouvelables (énergie solaire..)

 

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  • over a year ago

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