缓冲材料及其使用方法以及制造多孔缓冲系统的方法

缓冲材料及其使用方法以及制造多孔缓冲系统的方法
【专利摘要】一种多孔缓冲系统(200)，包括布置在一个或多个堆叠阵列(206、208)中的单元或支撑单元(204)。该单元是阻止由于压缩力而引起的偏转的中空腔室，与压缩弹簧类似。将阵列附接至一个或多个中间粘结层(210)。一个或多个中间粘结层将单元连接在一起，同时允许单元彼此独立地变形。外部负载将空隙单元中的一个在独立压缩范围内压缩，而不会明显压缩与被压缩的空隙单元邻近的至少一个空隙单元。该独立压缩范围是压缩的空隙单元的位移范围，该位移范围不会明显地影响相邻的空隙单元(205、207)的压缩。如果将空隙单元压缩至超过独立压缩范围，那么可能使中间粘结层偏转和/或可能使与压缩的空隙单元邻近的空隙单元被压缩。
【专利说明】
缓冲材料及其使用方法以及制造多孔缓冲系统的方法
[00011 本申请是申请日为2012年11月12日、申请号为201280066750.8、发明名称为"多孔 垫子"的发明专利申请(对应的国际申请为PCT/US2012/064697)的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2011年11月11日提交的名为"多孔垫子"的美国临时专利申请第61/ 558,564号的优先权，其特别地结合于此以供参考，如其全部公开或教导的一样。本申请涉 及2012年11月12日提交的名为"多孔垫子"的美国非临时专利申请第13/674,293号，其也特 别地结合于此以供参考，如其全部公开或教导的一样。
技术领域
[0004] 本发明通常涉及针对使用者舒适、支撑和/或保护的缓冲系统。
【背景技术】
[0005] 缓冲系统使用在广泛的许多应用中，包括人体的舒适和冲击保护的应用。将缓冲 系统放在身体的一部分邻近，并在身体和一个或多个否则将撞击身体的物体之间提供障 碍。例如，内弹簧床垫包含一排紧密耦接的金属弹簧，该金属弹簧缓冲身体从而不受到床架 的冲击。类似地，椅子、手套、护膝、头盔等，可能均包括在身体的一部分和一个或多个物体 之间提供障碍的缓冲系统。
[0006] 许多种结构用于缓冲系统。例如，一排紧密耦接的封闭空气孔和/或紧密耦接的水 腔室通常组成空气床垫和水床垫。一排紧密耦接的弹簧通常组成传统的床垫。其他实例包 括开放气泡泡沫或封闭气泡泡沫以及弹性蜂窝状结构。对于使用一排封闭孔或开放孔或者 弹簧的缓冲系统来说，或将孔或弹簧直接耦接在一起，或者，用一个或多个统一层将每个孔 或弹簧在其末端彼此耦接在一起。当将孔或弹簧直接地耦接在一起，或者将孔或弹簧的末 端间接地耦接在一起，可有效地将缓冲系统绑在一起，降低了每个孔或弹簧的独立性。此独 立性的缺乏会导致在本体的小面积上的负载增加(在这里指点载荷）。使一个孔或弹簧变形 的点载荷可能使相邻的孔或弹簧直接变形，或通过挤压统一层而使相邻的孔或弹簧变形。 结果，由于多个孔或弹簧的偏转的原因，在接触点处偏转的阻力会增加。增加的偏转的阻力 可能在使用者身体的伸入缓冲系统中的一部分上产生比使用者的身体的其他部分更多的 压力点(例如，在使用者在床垫上的肩部和臀部处）。

【发明内容】

[0007] 这里描述和要求保护的实现方式通过使多孔缓冲系统中的各个空隙单元(void cell)分离并允许空隙单元在独立变形范围内彼此独立地变形，而解决了上述问题。这减小 了在使用者的身体上产生压力点的可能性。此外，空隙单元在定向在多个方向上的负载下， 在独立变形范围内独立地变形。
[0008] 本公开的技术进一步通过以下方式解决了上述问题，即，在与中间粘结层正交的 方向上压缩与中间粘结层耦接在一起的空隙单元矩阵中的空隙单元，而基本上没有压缩至 少一个相邻的空隙单元，其中，在空隙单元的独立压缩范围内压缩空隙单元。
[0009] 本公开的技术更进一步通过提供一种用于使身体与物体接触的设备而解决了上 述问题，该设备包括第一空隙单元矩阵和中间粘结层，中间粘结层使第一空隙单元矩阵中 的至少两个空隙单元耦接，其中，在与中间粘结层正交的方向上发生空隙单元的压缩，没有 发生至少一个相邻的空隙单元的实质偏转，其中，所述空隙单元的压缩落在空隙单元的独 立压缩范围内。
[0010] 本公开的技术还进一步通过提供一种制造多孔缓冲系统的方法而解决了上述问 题，该方法包括，模制朝着第一中间粘结层开放并与第一中间粘结层互相连接的第一空隙 单元矩阵;模制朝着第二中间粘结层开放并与第二中间粘结层互相连接的第二空隙单元矩 阵；以及，将第一中间粘结层和第二中间粘结层层压在一起，使得第一中间粘结层和第二中 间粘结层的空隙单元中的开口面向彼此，其中，在与中间粘结层正交的方向上发生空隙单 元的压缩，没有发生至少一个相邻的空隙单元的实质偏转，其中，在空隙单元的独立压缩范 围内压缩空隙单元。
[0011] 这里还描述并列举了其他实现方式。
【附图说明】
[0012]图1示出了躺在一个示例性多孔缓冲系统上的使用者。
[0013]图2示出了一个示例性多孔缓冲系统的透视图。
[0014]图3示出了一个处于空载状态中的示例性多孔缓冲系统的正视图。
[0015]图4示出了一个处于空载状态中的示例性偏置式(offset)多孔缓冲系统的正视 图。
[0016] 图5示出了一个处于空载状态中的示例性叠层式多孔缓冲系统500的正视图。
[0017] 图6示出了一个处于部分受载状态中的示例性多孔缓冲系统的正视图。
[0018] 图7示出了一个处于完全受载状态中的示例性多孔缓冲系统的正视图。
[0019]图8示出了一个具有网格化层(pixilated layer，单元化层）的示例性多孔缓冲系 统的透视图。
[0020] 图9示出了一个处于空载状态中的具有像素化层的示例性多孔缓冲系统的正视 图。
[0021] 图10示出了一个处于部分受载状态中的具有像素化层的示例性多孔缓冲系统的 正视图。
[0022] 图11示出了一个处于完全受载状态中的具有网格化层的示例性多孔缓冲系统的 正视图。
[0023] 图12示出了一个示例性弯曲多孔缓冲系统的透视图。
[0024] 图13示出了一个示例性多孔缓冲系统中的相邻空隙单元的位移与力关系图。
[0025] 图14示出了一个示例性多孔缓冲系统中的相对的空隙单元的位移与力关系图。
[0026] 图15示出了与其他三个其他缓冲系统相比的两个示例性多孔缓冲系统的压力与 位移关系图。
[0027] 图16示出了包含一个示例性多孔缓冲系统的护膝。
[0028] 图17示出了用于制造并使用多孔缓冲系统的示例性操作。
【具体实施方式】
[0029] 图1示出了躺在一个实例多孔缓冲系统100上的使用者102。多孔缓冲系统100包括 空隙单元(例如，空隙单元104)或布置在顶部矩阵106(或阵列）和底部矩阵108(或阵列）中 的支撑单元。在框架103上示出了多孔缓冲系统100。一些实现方式将不包括框架103。空隙 单元是抵御由于压缩力而引起的偏转的中空腔室，与压缩弹簧类似。将顶部矩阵106附接至 中央或中间粘结层110的顶面，并将底部矩阵108附接至中间粘结层110的底面。中间粘结层 110将空隙单元连接在一起，同时，允许空隙单元至少在空隙单元的独立压缩范围内（参考 图13更详细地讨论)彼此独立地压缩。
[0030] 在一个实现方式中，将每个空隙单元单独地附接至中间粘结层110并且不彼此附 接。此外，顶部矩阵106或底部矩阵108内的每个空隙单元在负载下能够在空隙单元的独立 压缩范围内单独压缩，而不会压缩相邻的（即，邻近的、相对的，和/或邻近相对的）空隙单 元。在独立压缩范围之外，压缩单个空隙单元会导致经由中间粘结层110的偏转而压缩相邻 的空隙单元。例如，在使用者102的颈部、下背部和膝部的下方形成顶部矩阵106的空隙单元 分别独立地压缩，并且在那些区域上均匀地分布使用者102的重量。然而，使用者102的上背 部和臀部下方的空隙单元被足量地压缩，从而导致中间粘结层110偏转，接着，这会导致底 部矩阵108中的空隙单元被压缩。中间粘结层110的偏转还导致顶部矩阵106中的相邻的空 隙单元偏转，并导致底部矩阵108中的相邻的空隙单元被压缩。
[0031] 每个空隙单元产生相对恒定的力以抵御偏转。在一个实现方式中，底部矩阵108中 的空隙单元比顶部矩阵106中的空隙单元具有更大的抵御偏转的阻力。结果，在压缩较小的 区域中（例如，使用者的颈部、下背部和膝部），仅使顶部矩阵106中的空隙单元接合，并且， 通过多孔缓冲系统100使使用者的重量在与使用者102接触的区域上均匀地分布。在压缩较 大的区域中（例如，使用者的上背部和臀部），使用者感受到增加的压力，因为使用者的重量 足以使中间粘结层110额外地偏转，从而接合底部矩阵108中的空隙单元。在另一实现方式 中，根据多孔缓冲系统100的预期负载而改变对在顶部和/或底部矩阵内各个空隙单元的偏 转的阻力。例如，位于使用者的上背部和臀部附近的空隙单元可能比位于使用者的颈部、下 背部和膝部附近的空隙单元硬。
[0032] 在一个实现方式中，将可选的网格化层(pixilation layer，单元化层）（例如，见 图8至图11)附接至与中间粘结层110相对的顶部矩阵106和/或底部矩阵108的末端。网格化 层在多孔缓冲系统100的顶部或底部上提供基本上平面的表面，以帮助感受到舒适或清洁， 例如，还允许基本上独立地压缩各个空隙单元。参考图8至图11更详细地讨论网格化层。 [0033]图2示出了一个示例性多孔缓冲系统200的透视图。多孔缓冲系统200包括布置在 顶部矩阵206和底部矩阵208中的空隙单元(例如，空隙单元204)。空隙单元是抵御由于压缩 力而引起的偏转的中空腔室，与压缩弹簧类似。然而，与压缩弹簧不同，空隙单元的偏转不 会导致阻力的线性增加。相反，对于空隙单元的大部分压缩位移来说，空隙单元的偏转的阻 力是相对恒定的。这允许多孔缓冲系统200通过在使用者的身体上具有均匀的力而对使用 者的身体保持一致。在其他实现方式中，每个空隙单元可能具有正的或负的劲度系数 (spring rate)。此外，每个空隙单元的劲度系数可能根据空隙单元在多孔缓冲系统200内 的相对位置而变化。
[0034]至少每个空隙单元的材料、壁厚、尺寸和形状限定每个空隙单元可施加的阻力。用 于空隙单元的材料通常是在预期负载条件下能够弹性变形的，并将承受许多次变形而不会 破裂或变硬或受到其他损害多孔缓冲系统200的功能的破坏。示例性材料包括热塑性聚氨 酯、热塑性弹性体、苯乙稀共聚物、橡胶、D〇w_PeHethaiie?:、Lubriz〇] Estane?.、Dupont? Hytrel?、ATOFINAPebax?和Kray ton聚合物。此外，壁厚的范围可能是从5mi 1到80mi 1。更 进一步，在立方体实现方式中，每个空隙单元的尺寸范围可能是从5mm到70mm的边。更进一 步，空隙单元可能是立方体的、金字塔形的、半球形的，或任何其他能够具有中空内部容积 的形状。其他形状可能具有与上述立方体实现方式相似的尺寸。更进一步，空隙单元可能彼 此间隔各种距离。一个示例性间隔范围是2.5mm到150mm。
[0035]在一个实现方式中，空隙单元具有正方形基部形状，具有梯形体积和圆形顶部。空 隙单元几何形状可以提供系统200的平滑的压缩曲线并且提供各个空隙单元的最小聚集。 聚集特别出现在空隙单元的转角和竖直侧壁处，在此处材料以产生多个材料的褶皱方式弯 曲，多个褶皱会产生压力点并且整体上感觉到多孔缓冲系统不太均匀。更进一步，空隙单元 的圆形顶部可以增强使用者舒适性，并且，各个空隙单元的间隔可以产生与旋绕泡沫相似 的用户体验。
[0036]在另一实现方式中，空隙单元具有圆形基部形状，具有圆柱形形状的体积和圆形 顶部。该空隙单元几何形状也可以提供多孔缓冲系统的平滑的压缩曲线并且提供各个空隙 单元的最小聚集。更进一步，圆形顶部可以增强使用者舒适性，并且，各个空隙单元的更紧 密的间隔（与图13的空隙单元相比）可以给使用者产生更均匀的感觉。在这里，预期其他空 隙单元形状。
[0037]可以优化多孔缓冲系统200内的单元的材料、壁厚、单元大小和/或单元间隔，以将 由空隙单元的压缩(例如，侧壁的弯曲）产生的机械噪声最小化。例如，可以优化单元的特 性，以在位移和所施加的力之间提供平滑的关系（例如，见图13和图14)。此外，可以在空隙 单元的外部上使用轻润滑涂层(例如，滑石粉或油），以减小或消除由空隙单元相对于彼此 接触并移动所产生的噪声。机械噪声的减小或消除可以使多孔缓冲系统200对使用者来说 更舒适。更进一步，空隙单元的顶部的几何形状可以是平滑的以增强使用者的舒适性。 [0038]将顶部矩阵206附接至中央或中间粘结层210的顶面，并将底部矩阵208附接至中 间粘结层210的底面。中间粘结层210将空隙单元连接在一起，同时允许顶部矩阵206中的空 隙单元至少在一定程度上彼此独立地变形。可以用与空隙单元相同的可能性材料来构造中 间粘结层210,并且，在一个实现方式中是与空隙单元相连的。在多孔缓冲系统200中，顶部 矩阵206中的空隙单元与底部矩阵208中的空隙单元对准。
[0039]在其他实现方式中，将顶部矩阵206中的空隙单元与底部矩阵208中的空隙单元不 对准(例如，见图4)。在又一些实现方式中，顶部矩阵206中的空隙单元具有与底部矩阵208 中的空隙单元基本上不同的尺寸和/或形状。更进一步，可以将一个或多个耦接肋(未示出） 附接至垂直地延伸至中间粘结层210的空隙单元的外部。这些肋部可对空隙单元增加额外 的刚度，但是在一些实现方式中，可能影响空隙单元的独立性。
[0040]每个空隙单元由在矩阵内相邻的空隙单元包围。例如，空隙单元204在顶部矩阵 206内由三个相邻的空隙单元205包围。在多孔缓冲系统200中，对于每个转角空隙单元，具 有三个相邻的空隙单元;对于每个边缘单元，具有五个相邻的空隙单元;对于剩下的空隙单 元，具有八个相邻的空隙单元。对于每个空隙单元，其他实现方式可以具有更多或更少的相 邻的空隙单元。此外，每个空隙单元在相对矩阵内具有相应的相对的空隙单元。例如，顶部 矩阵206中的空隙单元204与底部矩阵208中的空隙单元207相对。在另外实现方式中，对于 部分或所有的空隙单元，不包括相对的空隙单元。更进一步，每个空隙单元具有在相对矩阵 内相应的相邻相对的单元。例如，顶部矩阵206中的空隙单元204具有在底部矩阵208中相应 的相邻相对的单元209。对于具体空隙单元的每个相邻的空隙单元，相邻的相对单元是相对 的空隙单元。
[0041] 相邻的空隙单元、相对的空隙单元，以及相邻的相对空隙单元，在这里都叫做相邻 的空隙单元。在各种实现方式中，相邻的空隙单元、相对的空隙单元以及相邻的相对空隙单 元中的一个或多个基本上不在一单个空隙单元的独立压缩范围内被压缩。
[0042] 在一个实现方式中，空隙单元充满周围空气。在另一实现方式中，空隙单元充满泡 沫或除了空气以外的流体。可以用泡沫或某些流体来隔离使用者的身体，便于热量从使用 者的身体传递至多孔缓冲系统200/从多孔缓冲系统传递热量至使用者的身体，和/或影响 对多孔缓冲系统200的偏转的阻力。在真空或接近真空的环境中（例如，外层空间），中空腔 室可以是未填充的。
[0043] 此外，空隙单元可以具有一个或多个孔(例如，孔211)，当压缩和解压空隙单元时， 空气或其他流体可以自由地通过所述孔。通过不依赖于气压来抵御偏转，空隙单元可达到 对于变形相对恒定的阻力。更进一步，空隙单元可以经由穿过中间粘结层210的通道(例如， 通道213)而彼此开放（即，流体连接）。还可以为了加热或冷却的目的，而用孔和/或通道来 使流体循环。例如，孔和/或通道可以限定穿过多孔缓冲系统200的路径，在该路径中加热流 体或冷却流体进入多孔缓冲系统200,沿着穿过多孔缓冲系统200的路径，并离开多孔缓冲 系统200。孔和/或通道还可以控制空气可以进入的速度，在多孔缓冲系统200内移动的速 度，和/或离开多孔缓冲系统的速度。例如，对于快速施加的重负载，孔和/或通道可以限制 空气以多快的速度离开多孔缓冲系统200或在以多快的速度在多孔缓冲系统内部移动，从 而对使用者提供额外的缓冲。
[0044] 可以将孔放在多孔缓冲系统200上的空隙单元的顶部和相对的空隙单元的底部 上，以便于清洁。更特别地，可迫使水和/或空气穿过相对的空隙单元中的孔以冲出污染物。 在一个经由通道连接每个空隙单元的实现方式中，可在多孔缓冲系统200的一端处引入水 和/或空气，并将水和/或空气通过多孔缓冲系统200横向地冲至相对端以冲出污染物。此 外，可用抗菌物质处理多孔缓冲系统200，或者，多孔缓冲系统200材料本身可以是抗菌的。
[0045] 可以用许多种制造工艺(例如，吹塑成型、热成型、挤出、注射成型、层叠等等)来制 造多孔缓冲系统200。在一个实现方式中，将系统200制造成两个一半部，第一半部包括附接 至中间粘结层210的上半部的顶部矩阵206。第二半部包括附接至中间粘结层210的下半部 的底部矩阵208。然后，使中间粘结层210的两个半部层压、胶粘，或以其他方式与顶部矩阵 206及底部矩阵208-起附接在中间粘结层210的相对侧上。在一个实现方式中，将中间粘结 层210的两个半部间歇性(periodic，周期性)地粘结在一起，在将顶部矩阵206和底部矩阵 208中的一个或两个中的空隙单元流体连接的中间粘结层210的两个半部之间留下间隙。
[0046] 此外，两个半部中的每个空隙单元在其与中间粘结层210接触面处可以是开放的 或封闭的。结果，当接合两个半部时，顶部矩阵206和底部矩阵208上的相对的空隙单元可以 是彼此开放的或封闭的。在另一实现方式中，将多孔缓冲系统200制造成一块，而不是如上 所述的两块。此外，根据本公开的技术的多孔缓冲系统200可以包括堆叠在另一个顶部上的 不止两个空隙单元矩阵(例如，两个或更多个堆叠在另一个顶部上的多孔缓冲系统200)。 [0047]图3示出了一个处于空载状态中的示例性多孔缓冲系统300的正视图。多孔缓冲系 统300包括布置在顶部矩阵306和底部矩阵308中的空隙单元(例如，空隙单元304)。将顶部 矩阵306附接至中央或中间粘结层310的顶面，并将底部矩阵308附接至中间粘结层310的底 面。中间粘结层310将空隙单元连接在一起，同时允许空隙单元至少在空隙单元的独立压缩 范围内彼此独立地变形。
[0048]在一个实现方式中，每个空隙单元的厚度会随着空隙单元的高度而变化。例如，在 空隙单元304的底部316附近，壁厚可以比空隙单元304的顶部318附近大，或者反之亦然。此 现象可能是制造工艺的副产物，或者，可以有意地设计在制造工艺中。无论如何，使空隙单 元的厚度随着其高度变化可用来产生取决于空隙单元的压缩量(即，产生正的和/或增加的 劲度系数)的变化的阻力。
[0049]在另一实现方式中，底部矩阵308中的空隙单元的高度与顶部矩阵306中的空隙单 元的高度不同。在又一实现方式中，顶部矩阵306中的空隙单元的尺寸和形状与底部矩阵 308中的基本上不同。顶部矩阵306中的空隙单元在压缩下可以基本上塌陷到底部矩阵308 中的空隙单元中，或者反之亦然。在其他实现方式中，顶部矩阵306中的空隙单元和底部矩 阵308中的空隙单元可以是偏置的，使得它们仅部分地相对或者不相对(例如，见图4)。 [0050]图4示出了一个处于空载状态中的示例性偏置式多孔缓冲系统400的正视图。多孔 缓冲系统400包括布置在顶部矩阵406中的和底部矩阵408中的空隙单元（例如，空隙单元 404)。顶部矩阵406中的空隙单元与底部矩阵408中的那些空隙单元是偏置的，使得矩阵中 的每个空隙单元与2个或多个相对的空隙单元重叠。将顶部矩阵406附接至中央或中间粘结 层410的顶面，并将底部矩阵408附接至中间粘结层410的底面。中间粘结层410将空隙单元 连接在一起，同时允许空隙单元至少在空隙单元的独立压缩范围内彼此独立地变形。
[0051 ] 例如，顶部矩阵406中的空隙单元404与底部矩阵408中的空隙单元428、430重叠 (即，1:2重叠）。在一些实现方式中，顶部矩阵406中的空隙单元404还与伸入示意图中的底 部矩阵408中的2个额外的空隙单元重叠（8卩，1:4重叠）。如果空隙单元404被压缩，那么，其 将在空隙单元404的独立压缩范围内基本上独立地变形。在空隙单元404的独立压缩范围之 外，系统400的压缩将主要接合空隙单元428、430，并且是经由中间粘结层410与相邻的空隙 单元在更小的程度上接合。此外，重叠的单元在顶部矩阵406中的空隙单元和底部矩阵408 中的空隙单元之间提供流体通道。这允许压缩空隙单元内的空气或其他流体自由地或基本 上自由地进入和离开空隙单元。在其他实现方式中，顶部矩阵406中的一个空隙单元可以与 底部矩阵408中的任意数量的空隙单元重叠(8卩，1:3重叠、1:6重叠等等）。
[0052]图5示出了一个处于空载状态中的示例性叠层式多孔缓冲系统500的正视图。多孔 缓冲系统500包括堆叠在另一个内的空隙单元(例如，空隙单元503、504)。将空隙单元堆叠 在另一个内，可增加对组合堆叠的空隙单元的偏转的阻力。在一个实现方式中，空隙单元 503比空隙单元504小以允许更好的配合。此外，将空隙单元布置在顶部矩阵506和底部矩阵 508中。将顶部矩阵506附接至中央或中间粘结层510的顶面，并将底部矩阵508附接至中间 粘结层510的底面。中间粘结层510将空隙单元连接在一起，同时允许空隙单元至少在空隙 单元的独立压缩范围内彼此独立地变形。
[0053]图6示出了一个处于部分受载状态中的示例性多孔缓冲系统600的正视图。多孔缓 冲系统600包括布置在顶部矩阵606中的和底部矩阵608中的空隙单元（例如，空隙单元 604)。将顶部矩阵606附接至中央或中间粘结层610的顶面，并将底部矩阵608附接至中间粘 结层610的底面。中间粘结层610将空隙单元连接在一起，同时允许空隙单元至少在空隙单 元的独立压缩范围内彼此独立地变形。
[0054]用测试设备620对空隙单元604施加负载。空隙单元604竖直地压缩而基本上不会 影响顶部矩阵606中的相邻的空隙单元(例如，空隙单元622、624)。此外，底部矩阵608中的 相对的空隙单元626和相邻的相对空隙单元628、630偏转非常小，因为中间粘结层610将施 加至空隙单元604的点载荷分布至底部矩阵608内的多个空隙单元。此外，与顶部矩阵606中 的单元相比，底部矩阵608内的空隙单元可以具有更大或更小的抵御压缩的阻力，以在位移 和所施加的力之间提供所期望的关系(例如，见图13和图14)。如果对与单个空隙单元604相 对的一组空隙单元施加负载，那么将压缩这组空隙单元，并且这组空隙单元邻近的空隙单 元将保持相对不被压缩。此关系在这里叫做，使空隙单元彼此分离。该分离最大仅可应用于 基于独立压缩范围的阈值，如图7所示。
[0055]图7示出了一个处于完全受载状态中的示例性多孔缓冲系统700的正视图。多孔缓 冲系统700包括布置在顶部矩阵706中的和底部矩阵708中的空隙单元（例如，空隙单元 704)。将顶部矩阵706附接至中央或中间粘结层710的顶面，并将底部矩阵708附接至中间粘 结层710的底面。中间粘结层710将空隙单元连接在一起，同时允许空隙单元至少在空隙单 元的独立压缩范围内彼此独立地变形。
[0056] 与图6所示的类似，用测试设备720对空隙单元704施加负载。测试设备720施加比 图6的测试设备620更大的力，并进一步压缩多孔缓冲系统700。空隙单元704完全被压缩，相 对的空隙单元726如果未被完全压缩，则是几乎被完全压缩。由于一旦将空隙单元704压缩 超过独立压缩阈值，便接合中间粘结层710，经由中间粘结层710相对的空隙单元726被压缩 并部分地压缩相邻的相对空隙单元(例如，空隙单元728、730)。此外，相邻的空隙单元(例 如，空隙单元722、724)偏转，但是基本上不会被空隙单元704的压缩所压缩。通过接合相邻 的空隙单元，这会产生更大的抵御压缩的阻力，因为多孔缓冲系统700接近完全偏转的状 ??τ O
[0057] 图8示出了一个具有网格化层832的示例性多孔缓冲系统800的透视图。多孔缓冲 系统800包括布置在顶部矩阵806和底部矩阵808中的空隙单元(例如，空隙单元804)。将顶 部矩阵806附接至中央或中间粘结层810的顶面，并将底部矩阵808附接至中间粘结层810的 底面。中间粘结层810将空隙单元连接在一起，同时，允许顶部矩阵806的空隙单元至少在空 隙单元的独立压缩范围内彼此独立地变形。
[0058]网格化层832是附接至顶部矩阵806中的每个空隙单元的上末端的一层薄片材料。 在其他实现方式中，将网格化层832附接至底部矩阵808中的每个空隙单元的下末端。网格 化层832可以由与空隙单元以及中间粘结层810类似的材料制成。例如，网格化层832的厚度 可以根据所需柔性和耐久性而变化。网格化层832在每个空隙单元的顶部上是平的，并在每 个空隙单元之间具有凹槽(例如，凹槽834)。凹槽帮助保持每个空隙单元与相邻的空隙单元 之间至少在空隙单元的独立压缩范围内独立地压缩。可以使凹槽深度和宽度适应于空隙单 元的预期独立压缩范围。
[0059] 图9示出了一个处于空载状态中的具有网格化层932的示例性多孔缓冲系统900的 正视图。多孔缓冲系统900包括布置在顶部矩阵906中的和底部矩阵908中的空隙单元(例 如，空隙单元904)。将顶部矩阵906附接至中央或中间粘结层910的顶面，并将底部矩阵908 附接至中间粘结层910的底面。中间粘结层910将空隙单元连接在一起，同时允许空隙单元 至少在空隙单元的独立压缩范围内彼此独立地变形。网格化层932是附接至顶部矩阵906中 的每个空隙单元的上末端的一层薄片材料。网格化层932在每个空隙单元的顶部上是平的 并在每个空隙单元之间具有凹槽(例如，凹槽934)。
[0060] 图10示出了一个处于部分受载状态中的具有网格化层1032的示例性多孔缓冲系 统1000的正视图。多孔缓冲系统1000包括布置在顶部矩阵1006中的和底部矩阵1008中的空 隙单元(例如，空隙单元1004)。将顶部矩阵1006附接至中央或中间粘结层1010的顶面，并将 底部矩阵1008附接至中间粘结层1010的底面。中间粘结层1010将空隙单元连接在一起，同 时允许空隙单元至少在空隙单元的独立压缩范围内彼此独立地变形。网格化层1032是附接 至顶部矩阵1006中的每个空隙单元的上末端的一层薄片材料。网格化层1032在每个空隙单 元的顶部上是平的并在每个空隙单元之间具有凹槽(例如，凹槽1034)。
[0061 ]用测试设备1020对空隙单元1004施加负载。空隙单元1004竖直地压缩，而基本上 不会影响顶部矩阵1006中的相邻的空隙单元（例如，空隙单元1022、1024)。当空隙单元 1004、1022、1024与网格化层1032连接时，凹槽1034、1036展开或以其他方式扭曲，以帮助防 止空隙单元1004的偏转在很大程度上影响相邻的空隙单元。此外，使底部矩阵1008中的相 对的空隙单元1026偏转得非常小，因为其具有比单元1004更大的抵御压缩的阻力，并且经 由粘结层1 〇 I 〇负载被分布。如果对与单个空隙单元1004相对的一组空隙单元施加负载，将 压缩这组空隙单元，并且，所压缩的这组空隙单元邻近的空隙单元将保持相对不压缩。此关 系在这里叫做，使空隙单元彼此分离。该分离最大仅可应用于预定偏转，如图11所示。
[0062]图11示出了一个处于完全受载状态中的具有网格化层1132的示例性多孔缓冲系 统1100的正视图。多孔缓冲系统1100包括布置在顶部矩阵1106中的和底部矩阵1108中的空 隙单元(例如，空隙单元1104)。将顶部矩阵1106附接至中央或中间粘结层1110的顶面，并将 底部矩阵1108附接至中间粘结层1110的底面。中间粘结层1110将空隙单元连接在一起，同 时，允许空隙单元至少在空隙单元的独立压缩范围内彼此独立地变形。网格化层1132是附 接至顶部矩阵1106中的每个空隙单元的上末端的一层薄片材料。网格化层1132在每个空隙 单元的顶部上是平的并在每个空隙单元之间具有凹槽(例如，凹槽1134)。
[0063]与图10所示的类似，用测试设备1120对空隙单元1104施加负载。测试设备1120施 加比图10的测试设备1020更大的力，并进一步压缩多孔缓冲系统1100。空隙单元1104完全 压缩，相对的空隙单元1126如果未被完全压缩，则是几乎被完全压缩。当空隙单元1104、 1122、1124与网格化层1132连接时，凹槽1134、1136展开，并防止空隙单元1104的偏转完全 接合相邻的空隙单元，甚至在完全偏转状态中也是这样。由于一旦压缩空隙单元1126便接 合中间粘结层1110,所以通过压缩空隙单元1104使底部矩阵1108中的相邻的相对空隙单元 部分地压缩。网格化层1132内的凹槽的深度和宽度影响空隙单元影响相邻空隙单元偏转的 程度。通过接合相邻的空隙单元，这产生更大的抵御压缩的阻力，因为多孔缓冲系统1100接 近完全偏转的状态。
[0064]图12示出了一个示例性弯曲多孔缓冲系统1200的透视图。多孔缓冲系统1200包括 布置在顶部矩阵1206中的和底部矩阵1208中的空隙单元(例如，空隙单元1204)。将顶部矩 阵1206附接至中央或中间粘结层1210的顶面，并将底部矩阵1208附接至中间粘结层1210的 底面。中间粘结层1210将空隙单元连接在一起，同时，允许空隙单元至少在空隙单元的独立 压缩范围内彼此独立地变形。
[0065]可以将多孔缓冲系统1200应用在弯曲表面1253上（例如，头盔的内部）。因为中间 粘结层1210位于空隙单元的顶部矩阵1206和底部矩阵1208之间，所以，中间粘结层1210不 会将多孔缓冲系统1200限制于平面应用。可以操作多孔缓冲系统1200以与当与使用者的身 体接触时缓冲的任何表面一致。即使当操作多孔缓冲系统1200以与弯曲表面一致时，空隙 单元也仍基本上定向成垂直于弯曲表面。这确保空隙单元抵御压缩的阻力一致。
[0066] 图13示出了一个示例性多孔缓冲系统中的相邻空隙单元的位移与力关系图1300。 图1300示出了受载的空隙单元的力和位移之间的关系(虚线1310)与相邻的空隙单元的力 和位移之间的关系(实线1320)。在相对小的力下（例如，在大约0.0-2.51bs.)，通过力的微 小变化，受载的空隙单元至少在空隙单元的独立压缩范围内明显地压缩(即，非弹性形变行 为或不符合胡克定律）。当空隙单元变得几乎完全压缩时，需要增大的力的量以继续压缩受 载的空隙单元(例如，在大约2.5-7.51bs.)。当空隙单元几乎完全压缩时，需要相对大地增 加力以压缩空隙单元相对小的额外量(例如，大约7.5-17.51bs.)。
[0067] 在受载的空隙单元的更小的压缩位移下(例如，0.0-1.5in)，相邻的空隙单元不太 明显地被压缩(例如，如独立压缩范围1338所示）。当受载的空隙单元变得压缩程度更大时 (例如，1.5-2.7in)，然而，相邻的空隙单元只受到一定程度的压缩。在一个实现方式中，这 是由于中央或中间粘结层和/或与受载的空隙单元及相邻的空隙单元都相关联的网格化层 的变形所引起的。然而，与受载的空隙单元相比，相邻的空隙单元的相对压缩量保持相对较 小（在一个实现方式中，大约是最大值的20% )。结果，即使在完全或几乎完全受载的条件 下，多孔缓冲系统中的相邻空隙单元几乎保持独立。
[0068] 图14示出了一个示例性多孔缓冲系统中的相对的空隙单元的位移与力关系图 1400。图1400示出了空隙单元的顶部矩阵中的空隙单元的力和位移之间的关系(实线1410) 与空隙单元的底部矩阵中的相对空隙单元的力和位移之间的关系(虚线1420)。在相对小的 力下（例如，在大约0.0-5. Olbs.)，每个相对的空隙单元的力/位移关系是基本上线性的和 相等的。高于大约5. Olbs.但低于大约30.0 lbs.时，顶部空隙单元在底部空隙单元之前达到 大量偏转。高于30.Olbs.时，每个相对的空隙单元的力/位移关系也是基本上线性的和相等 的。
[0069] 在其他实现方式中，空隙单元的顶部矩阵中的空隙单元将具有独立压缩范围，在 该范围内空隙单元的底部矩阵中的相对的空隙单元基本上不被压缩，与如图13所示的相邻 的空隙单元之间的关系类似。
[0070] 图15示出了与三个其他缓冲系统相比的两个示例性多孔缓冲系统的压力与位移 关系图1500。图1500示出了施加至缓冲系统的压力和缓冲系统的压缩位移之间的关系。线 1510表示具有0.5〃宽、高和深的正方形空隙单元的第一示例性热塑性弹性体多孔缓冲系 统。此外，将空隙单元对准并彼此相对，具有25mil的壁厚。线1520表示具有0.5〃宽、高和深 的平顶正方形空隙单元的第二示例性多孔缓冲系统。空隙单元是偏置的并彼此相对，具有 25mil的壁厚。线1530表示在床垫应用中使用的2.0〃厚的网状聚氨酯舒适泡沫，线1540和 1550每个分别表示旋转的舒适泡沫床垫上层。
[0071]表示多孔缓冲系统的线1510和1520表示出，如这里公开的，与线1530所示的泡沫 相比，需要相对小的压力来产生多孔缓冲系统的位移(例如，从0到大约0.4英寸）。这在较低 负载的条件下，可以增强使用者的舒适性。此外，在更高负载的条件下（例如，从大约0.4到 大约0.8英寸），线1510和1520表示出，与所有三个泡沫系统（线1530、1540和1550)相比，多 孔缓冲系统表现出需要的相对高的压力来产生多孔缓冲系统的附加位移。结果，在相对高 的负载的条件下，多孔缓冲系统能够比任何泡沫系统为使用者提供更大的支撑，并且在相 对低的负载的条件下，比至少一个泡沫系统为使用者提供更好的舒适性。
[0072]图16示出了包含示例性多孔缓冲系统1605的护膝1600。多孔缓冲系统1605包括布 置在顶部矩阵中的和底部矩阵(未示出）中的空隙单元(例如，空隙单元1604)或支撑单元。 多孔缓冲系统1600示出为与护膝1600的弯曲内表面一致。在多种实现方式中，护膝1600是 刚性的、半刚性的，或柔性的，这取决于护膝1600的目的。将顶部矩阵附接至中央或中间粘 结层1610的顶面，并将底部矩阵附接至中间粘结层1610的底面。中间粘结层1610将空隙单 元连接在一起，同时允许空隙单元至少在空隙单元的独立压缩范围内彼此独立地压缩(如 上面详细地讨论的）。
[0073]在一个实现方式中，将每个空隙单元分别附接至中间粘结层1610,且彼此不附接。 此外，在空隙单元的独立压缩范围内，在负载下顶部矩阵内的每个空隙单元能够分别地被 压缩，而不会压缩相邻的（即，邻近的、相对的，和/或相邻相对的）空隙单元。在独立压缩范 围之外，单独的空隙单元的压缩会经由中间粘结层1610的偏转而导致相邻的空隙单元压 缩。例如，形成顶部矩阵的空隙单元与使用者的膝部的表面轮廓一致，并且分别地压缩并将 在使用者的膝部上的负载均匀地分布在那些区域上。
[0074]每个空隙单元产生相对恒定的力以抵御偏转。在一个实现方式中，底部矩阵中的 空隙单元比顶部矩阵中的空隙单元具有更大的抵御偏转的阻力。结果，在负载较小的区域 中（例如，使用者的膝部的侧面），仅接合顶部矩阵中的空隙单元，并且通过多孔缓冲系统 1605将使用者的重量在与使用者接触处均匀地分布。在压缩更大的区域中（例如，使用者的 膝部的中央），使用者感受到增加的压力因为使用者的重量足以另外使中间粘结层1610额 外地偏转，从而接合底部矩阵中的空隙单元。根据护膝1600的预期负载，可以改变在顶部 和/或底部矩阵内的各个空隙单元抵御偏转的阻力。
[0075]图17示出了用于制造并使用多孔缓冲系统的示例性操作1700。第一模制操作1705 模制与第一平面中间粘结层互相连接的第一空隙单元矩阵。第二模制操作1710模制与第二 平面中间粘结层互相连接的第二空隙单元矩阵。中间粘结层在每个空隙单元处可以具有开 口。在另一实现方式中，使用吹塑管（例如，型坯管(parison tube))，空隙单元的矩阵同时 由一片材料形成。在又一实现方式中，通过单平面中间粘结层，将第一空隙单元矩阵和第二 空隙单元矩阵互相连接。
[0076]粘结操作1715将第一平面中间粘结层的面与第二平面中间粘结层的面粘结，其中 空隙单元的矩阵远离平面中间粘结层地延伸。在一个实现方式中，粘结操作1715产生单个 中间粘结层，该单个中间粘结层将第一空隙单元矩阵和第二空隙单元矩阵连接在一起。在 另一实现方式中，粘结操作1715将中间粘结层间歇性地点焊在一起，产生固定附接在一起 的两个不同的粘结层。将中间粘结层间歇性地粘结在一起，可以在位于中间粘结层之间的 空隙单元之间留出流体通道。
[0077] 此外，可以将第一中间粘结层和第二中间粘结层层压在一起，使得，多孔缓冲系统 的第一半部中的和第二半部中的相对的空隙单元中的开口彼此接触。或者，可以采用任何 已知的制造技术，在一个步骤中制造多孔缓冲系统的第一半部和第二半部。此外，可以采用 除了模制以外的技术(例如，真空成型，压力成型和挤出成型）来制造多孔缓冲系统的第一 半部和第二半部。
[0078] 在使用网格化层的实现方式中，可选的模制操作1720模制多孔缓冲系统的网格化 层。网格化层通常是平面的并且具有一系列通道，网格化层的框架区域通常与空隙单元的 第一矩阵和/或第二矩阵中的各个空隙单元的尺寸和位置相对应。将网格化层进一步构造 为具有一定的厚度、硬度、通道深度、通道宽度，以达到各个空隙单元的独立压缩所期望的 程度。如果使用网格化层，那么，可选的附接操作1725将网格化层与通常平行于平面中间粘 结层定向的空隙单元的第一矩阵或第二矩阵的外表面连接。可以通过胶粘、焊接，或使用任 何其他附接方法来连接网格化层。此外，可以使用两个网格化层，一个附接至第一空隙单元 矩阵，第二个附接至第二空隙单元矩阵。
[0079] 决定操作1727决定多孔缓冲系统是否需要将空隙单元的额外层与粘结层粘结在 一起。如果是的话，那么重复操作1705至1727。如果否的话，那么附接操作1729将多孔缓冲 系统的多层附接在一起。如果只有一层多孔缓冲系统，那么操作1729不适用。
[0080] 压缩操作1730在独立压缩范围内压缩一个或多个空隙单元，不会明显地压缩一个 或多个相邻的空隙单元。相邻的空隙单元包括一个或多个相邻的空隙单元、相对的空隙单 元，以及相邻的相对空隙单元。在一个实现方式中，通过专用通道或仅通过第一中间粘结层 和第二中间粘结层之间的间隙，将相邻的空隙单元流体地连接。这允许压缩的空隙单元内 的空气或其他流体进入和离开空隙单元。
[0081] 独立压缩范围是压缩的空隙单元的不会明显压缩相邻的空隙单元的位移范围。空 隙单元在基本上正交于中间粘结层的大体方向上被压缩。如果将空隙单元压缩至超过独立 压缩范围，那么将使中间粘结层偏转和/或将压缩邻近压缩的空隙单元的空隙单元。在一个 实现方式中，即使在超过独立压缩位移之后，邻近压缩的空隙单元的空隙单元的压缩程度 也明显小于压缩的空隙单元本身。此外，可以在压缩操作1725中压缩多个空隙单元。
[0082]解压缩操作1735将一个或多个压缩的空隙单元解压缩，只要解压缩的空隙单元在 其独立压缩范围内，基本上不会解压缩至少一个相邻的压缩的空隙单元。如果解压缩的空 隙单元在其独立压缩范围之外，那么，相邻的空隙单元也将被解压缩，直到解压的空隙单元 回到其独立压缩范围内为止。如果将解压缩的空隙单元解压至零负载，那么多孔缓冲系统 将回到其原始状态。在其他实施方式中，可以使多孔缓冲系统永久地变形(例如，在使用一 次性多孔缓冲系统时）。
[0083]以上说明书、实例和数据提供了本发明的示例性实施方式的结构和用法的完整描 述。由于在不背离本发明的实质和范围的前提下能够得到本发明的许多实施方式，所以本 发明限定在下文中所附的权利要求的范围内。此外，在不背离所述权利要求的前提下，可以 将不同实施方式的结构特征组合在其他实施方式中。
【主权项】
1. 一种缓冲材料的使用方法，包括： 将缓冲材料应用于弯曲表面上，所述缓冲材料包括与第二空隙单元矩阵相对的第一空 隙单元矩阵，其中，所述第一空隙单元矩阵中的至少两个空隙单元通过中间粘结层与所述 第二空隙单元矩阵中的至少两个空隙单元耦接，并且在所述第一空隙单元矩阵和所述第二 空隙单元矩阵的每个空隙单元处均包括与所述缓冲材料的外部环境连续流体连通的开口。2. 根据权利要求1所述的使用方法，进一步包括： 在所述缓冲材料的独立压缩范围内并在与所述中间粘结层基本上正交的方向上压缩 所述第一空隙单元矩阵中的空隙单元，而基本上不压缩所述第一空隙单元矩阵中的至少一 个相邻的空隙单元以及所述第二空隙单元矩阵中的至少一个相对的空隙单元。3. 根据权利要求2所述的使用方法，进一步包括： 在所述独立压缩范围之外压缩所述第一空隙单元矩阵中的空隙单元，以使所述中间粘 结层偏转并使所述第二空隙单元矩阵中的相对的空隙单元压缩。4. 根据权利要求3所述的使用方法，其中，在所述独立压缩范围之外压缩空隙单元比在 所述独立压缩范围之内压缩空隙单元需要更大的力。5. 根据权利要求2所述的使用方法，其中，所述第一空隙单元矩阵中的每个空隙单元在 所述独立压缩范围内的所有变形量下具有基本上相等的抵御变形的阻力。6. 根据权利要求2所述的使用方法，其中，所述第一空隙单元矩阵中的每个空隙单元对 于所述独立压缩范围之外的增大的变形量具有增大的抵御变形的阻力。7. 根据权利要求1所述的使用方法，其中，所述第一空隙单元矩阵中的空隙单元比所述 第二空隙单元矩阵中的空隙单元具有更大的抵御偏转的阻力。8. -种缓冲材料，包括： 第一空隙单元矩阵； 与所述第一空隙单元矩阵相对的第二空隙单元矩阵，所述第一空隙单元矩阵和所述第 二空隙单元矩阵中的每个空隙单元均包括与所述缓冲材料的外部环境连续流体连通的开 口；以及 中间粘结层，所述中间粘结层使所述第一空隙单元矩阵中的至少两个空隙单元与所述 第二空隙单元矩阵中的至少两个空隙单元耦接。9. 根据权利要求8所述的缓冲材料，其中，所述缓冲材料与相邻的物体的弯曲表面一 致。10. 根据权利要求8所述的缓冲材料，其中，所述第一空隙单元矩阵中的每个空隙单元 具有的开放面面向所述第二空隙单元矩阵中的每个空隙单元的开放面，其中，所述第一空 隙单元矩阵中的开放面与所述第二空隙单元矩阵中的开放面大致对准。11. 根据权利要求8所述的缓冲材料，其中，所述第一空隙单元矩阵中的空隙单元在与 所述中间粘结层基本上正交的方向上发生压缩，而所述第一空隙单元矩阵中的至少一个相 邻的空隙单元以及所述第二空隙单元矩阵中的至少一个相对的空隙单元没有发生实质偏 转。12. 根据权利要求11所述的缓冲材料，其中，空隙单元发生解压缩并不会使相邻的空隙 单元解压缩。13. 根据权利要求11所述的缓冲材料，其中，空隙单元在所述缓冲材料的独立压缩范围 之外的压缩和解压缩使所述中间粘结层偏转并使至少一个相邻的空隙单元压缩。14. 根据权利要求13所述的缓冲材料，其中，在所述独立压缩范围之外压缩空隙单元比 在所述独立压缩范围之内压缩空隙单元需要更大的力。15. 根据权利要求8所述的缓冲材料，其中，所述中间粘结层具有开口，在所述开口处每 个空隙单元与所述中间粘结层接触。16. 根据权利要求8所述的缓冲材料，其中，所述中间粘结层包括将所述第一空隙单元 矩阵耦接在一起的第一半部以及将所述第二空隙单元矩阵耦接在一起的第二半部，并且其 中，所述第一半部和所述第二半部附接在一起。17. 根据权利要求16所述的缓冲材料，其中，使用所述第一半部与所述第二半部的间歇 性点焊部，所述第一半部与所述第二半部附接在一起。18. -种制造多孔缓冲系统的方法，包括： 模制第一空隙单元矩阵，所述第一空隙单元矩阵朝着第一中间粘结层开放并与所述第 一中间粘结层互相连接； 模制第二空隙单元矩阵，所述第二空隙单元矩阵朝着第二中间粘结层开放并与所述第 二中间粘结层互相连接，所述第一空隙单元矩阵和所述第二空隙单元矩阵中的每个空隙单 元均包括与所述多孔缓冲系统的外部环境连续流体连通的开口；以及 将所述第一中间粘结层和所述第二中间粘结层焊接在一起，使得所述第一空隙单元矩 阵和所述第二空隙单元矩阵的空隙单元中的开口面向彼此。19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括： 模制网格化层;并且 将所述网格化层附接至所述第一空隙单元矩阵的每个空隙单元的外表面。20. 根据权利要求19所述的方法，进一步包括： 在与所述第一中间粘结层基本上正交的方向上压缩所述第一空隙单元矩阵中的空隙 单元，而基本上不使所述第一空隙单元矩阵中的至少一个相邻的空隙单元和所述第二空隙 单元矩阵中的至少一个相对的空隙单元偏转。
【文档编号】A47C27/10GK105962689SQ201610390948
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2012年11月12日
【发明人】埃里克·W·苏加诺, 科兰·梅策, 彼得·M·福利, 埃里克·T·迪费利斯, 布赖恩特·R·哈登
【申请人】斯凯达克斯科技有限公司