身体支持系统的制作方法

专利名称：身体支持系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种例如可以用作座垫的身体支持系统。本发明尤其涉及一种例如可以用作座垫且具有改进的机械响应特性和改进的与用户的相互热作用的身体支持系统。
背景技术：
由座垫之类的身体支持系统提供给用户的舒适感取决于各种因素。其一是所述身体支持系统对接触它的用户(例如坐在座垫上的用户)所施加的压力和剪切力的机械响应，机械响应包括静态和动态响应；其二是所述身体支持系统为用户提供热量调节的能力，这源于身体支持系统内固有的热交换过程/机理。如果身体支持系统是和运动的车辆/船舶/装置(包括轮椅、拖拉机或乘式割草机之类的农具或公交座椅)一起使用，那么另一个因素就是身体支持系统对施加的动态激励提供足够的动态响应特性以及通过减少对用户有害的频率成分的传送而减轻全身振动(WBV)的能力。
目前通常的办公室座椅是将软垫或合成网线装在框架内制成。每种此类座椅都有各自的热性质。装有垫子(例如聚氨酯泡沫塑料)的座椅与用户之间的热量交换受到限制，然而这一热量交换过程主要通过传导和汗液蒸发而实现。因此，所装的垫子更适用于工作场所温度为16-25℃(61-77°F)这样较低的温度和较短的使用时间，即在热量开始积累且未蒸发的汗液在用户-身体支持系统界面处开始出现以前。另一方面，网眼座垫主要通过辐射和对流换热过程在周围环境和用户之间提供额外的热量交换。在网眼座垫的例子中，这些换热过程不取决于身体支持系统的内在性质，而是取决于包括温度和空气速度在内的周围环境参数之类的外在因素以及工作场所布置、表面取向和相邻表面(例如地面和墙壁)的温度和热反射率之类的因素。因此，网眼座垫可以在25-35℃(77-95°F)这样温度较高的办公场所中较好地使用，而且坐的时间可以较长。现有的座垫设计没有一个能为各种较宽的办公温度环境和工作场所布置提供热量调节。
网眼座垫装饰的另一个缺点是其易于“孺变”(creep)，也就是说，易于发生粘性变形或不可恢复的变形，且伴有不均衡的应力-应变速率特性，尤其是在区域性(territrial)压力-应变期间，当用户体重较重时会出现这种情况(对许多网线材料而言)，从而造成对大范围内的用户的机械响应不均匀。当座椅网线长期承受重而持续的用户体重时，孺变是一个严重的问题。控制孺变通常需要用孺变特性非常有限的纤维来加强横向网线。然而，没有合适的控制，孺变会造成座椅网线过分变形，最终导致用户-座椅界面处的接触减少，以及身体支持系统总承载能力严重下降。这就造成认识上(有意识地或下意识地)重量过分地偏向大腿的前下方以及搁脚板和扶手上，这些因素与不舒服的和不利的人体工学条件可能直接相关。
热性质是设计办公座椅时应该考虑的主要的人体工学特点。人体总是在运转以保持体内温度接近37℃(98.6°F)，通过例如姿态调整，诸如排汗、调节心血管和肺部活动(例如脉搏和呼吸速率)以影响血液流动和血管大小，尤其是在接近热交换界面(例如与座垫之间的界面)的皮肤区域内，从而改变温度。坐相对短的时间就导致出汗且在这一自我调温过程中需要人体接触的座椅会不太舒适，并且会影响工作效率/生产率。例如，对传统的装饰垫而言，热量可以在用户/座椅界面处快速积累，这引起用户代谢速度(如肌肉活动)受到限制，从而减少热量的产生，因此严重影响了工作效率。用户也可以开始出汗，从而使用户整个皮肤上的热量传递开始加快，并企图促进汗液蒸发冷却过程。当用户/座椅界面在甚小的压力下由于透气性能差而使汗液蒸发受到抑制时，界面处的热量未被耗散，从而使用户更加不舒服。另一方面，网眼座垫有高的透气性能和散热性能，并且不允许任何热量在座椅用户界面处积累。在较冷的工作场所中，较密闭、反向定向、高反射率、且冷的办公场所表面(地板/墙壁等)，且有高的(暂时的或稳定的)空气速度，用户被调整到开始负责产生热，从而寻求与整个环境的热量平衡；这种状况加剧了不舒适。这可允许用户热量的过度损失或获得。因此，假定界面处有限的热量积累对整个界面上热量梯度的逆转是有利的。这样，对于网眼座垫而言，用户的热舒适感就主要取决于工作环境的温度和布置。
另外，传统的座椅设计没有考虑用户身材和舒适水平的不同。不同的个人有不同的负载特征和不同的热量产生速率，因此产生了不同的舒适水平(包括心理上的)。
因此，本发明的一个目的是提供一种身体支持系统，例如具有改进的热量调节特性的座垫。
本发明的另一个目的是提供一种身体支持系统，例如具有改进的机械响应特性的座垫，这些机械特性包括更宽的低强度的压力分布和更好的动态响应特性。
本发明的再一个目的在于提供一种作为所述身体支持系统的一个元件的能量耗散系统，从而为用户提供更大的舒适度。
本发明的又一个目的在于提供一种身体支持系统，例如一种座垫，其中通过改变系统中的许多设计参数可以改变热量调节特性和/或机械特性，以满足特定用户或用户组的需要或偏好。

发明内容
一种身体支持系统具有改进的机械(静态的和动态的)支持特性和改进的与用户的热相互作用。改进的静态支持特性是由分布用户体重的部件提供的，该部件对施加在用户支持系统界面处的压力和剪切力作出响应而分布用户的体重。分布用户体重的部件包括多根大体上位于所述身体支持系统中心位置的立柱。如果不用弹性材料层将所述立柱连接起来，所述立柱能对用户施加的压力作出响应——基本上各自独立地发生偏转。改进的热相互作用由提供增强的空气流动的结构提供，此空气流动穿过并环绕所述身体支持系统，从而提供对流热调节以及干燥和蒸发热交换。一个位于所述立柱上方的弹性材料元件也方便了与用户的热交换，并且在分布用户体重方面与立柱合作以提供改进的静态和动态支持。所述弹性材料层能取消立柱的变形，因此限制了单根立柱对用户的反作用，并调动了更集中的响应，因此减少了界面压力峰值和梯度。改进的动态响应通过抑制响应峰的振幅并滤去动态载荷中有害的频率成分而实现。使质量和刚度成比例基本上决定了身体支持系统所想要的动态响应性质。
所述身体支持系统包括泡沫体。在一个实施例中，立柱的结构为与所述泡沫体形成一体的向上延伸的垫块。在另一个实施例中，立柱可以从所述弹性材料元件向下延伸。立柱可以由密度和机械响应特性与泡沫体的密度和机械响应特性相同或不同的材料形成。这一特点使得本发明的身体支持系统能满足不同用户的需要。
立柱之间的空间限定了一个容纳流体(例如身体支持系统内部的空气)的容器。身体支持系统还包括排出和/或改变流体(通常为空气)流向的部件，从流体(空气)容器到身体支持系统的外围，然后流向其上表面，用于与用户的换热过程，因此在长期使用所述身体支持系统时，提高了用户的舒适感。使流体从流体容器流向外围的部件可以包括形成在泡沫体内部且从气室向泡沫体外围延伸的多道槽。当用户施加压力时，容器内的流体(空气)会被排出并通过所述槽向外围和向上流动。有利的是，穿过身体支持系统的气流无需使用主动气流循环设备(例如风扇、鼓风机、阀门、或泵设备)即可实现。位于泡沫体外围附近的空气偏转部件的作用是使从容器流向泡沫体上方区域并在外围处被接收的空气发生偏转，用于与用户的换热。这一热调节功能由上述的弹性材料元件进一步加强，该元件的作用相当于大容量的散热片，用于除去用户产生的过量的热。
本发明的身体支持系统还可以包括位于弹性材料元件和泡沫体上方的透气的粘弹性层。粘弹性层可以减少传递到弹性材料元件的压力和剪切力。透气的粘弹性层也可以方便在座垫的外围被排出的空气的流动，从而加强热调节。通过提供施加的剪切力和压力的可恢复性的消耗，用本发明的身体支持系统实现的空气流动对身体支持系统的机械功能也有贡献。
本发明的身体支持系统还可以包括能量调节部件，用于将施加的载荷能量(例如用户的体重)的垂直分量转化成非垂直(例如水平的)消耗分量，这会有效地减少用户体验到的真实的垂直的反作用力，从而提高舒适感。在一个实施例中，能量调节部件可以包括具有顶层和低层的元件，每一层都由不透水的柔性膜制成，顶层和底层在各自的周边被连接在一起从而形成一个具有内部体积的囊状物或柔韧的流体容器，所述内部体积内有一个或多个壁，所述壁在所述顶层和底层的内表面之间延伸，从而在所述内部体积内限定出多个相互连接的柔韧的流体腔室，所述腔室通过所述壁之间或壁上的隔板、空间或小孔相互连接。所述内部体积包含可以在相互连接的各腔室内或之间流动的粘性流体。当一个力(例如用户的体重)施加到能量调节部件的顶部时，直接受力的那些腔室中的粘性流体中至少有一部分受到进一步的压力并被挤出受到更高压力的腔室，这是由于受到垂直力作用的其它腔室承受的力较小。粘性流体在相互连接的腔室之间的水平位移耗散了用户施加的能量，因此用户感到的反作用力较小，感觉也更舒服。能量耗散部件提出了多项参数，这些参数可以改变以满足特定用户或特定类型的用途的需求。这些参数包括例如顶层、底层和内壁所用的材料，各层和各壁的尺寸，使所述腔室相互连接的空间或孔的尺寸，以及粘性流体的体积和粘度。在另一个实施例中，柔性的流体腔室可以被全部连接起来，以形成一个完整的流体容器，并且充满了可以有选择地受压的粘性流体。在另一个实施例中，此完整的容器可以被减压并排空流体，因此可以借助于一根安装有单向阀的柔性进口管而从外部源头向腔室内注入空气或流体，从而提供了储存此由外部注入的流体的方法；借助于一根安装有单向阀的柔性出口管、通过使用静态差压或者使用此受压的或非受压的流体容器系统所带的微型泵还提供了对此流体进行后处理的方法。在至少一个上述实施例中，为了提供作用在所述弹性材料层下侧上的反作用力，可以用来自外部的空气或流体使所述柔性流体容器膨胀。此反作用力通过选择的覆盖层传回用户，从而提供了在需要的时候增强身体支持系统的方法。
本发明的身体支持系统可广泛应用于各种用途的座椅中。身体支持系统的构造可以是座垫，例如用在办公座椅中的座垫，在这种情况下，所述座垫可以安装在包括预形成的座盘在内的椅子框架上。座盘的作用是为座垫提供高度加固或刚度支承。身体支持系统也可以用在康复椅或其它身体支持应用方面，例如用在轮椅、病床、运动垫、例如用在运动场上，等等，其中改进的对压力和剪切力的响应性能可以有助于防止压力集中，压力集中会导致褥疮。它也可以用在座椅或床上起辅助使用者作用，例如在用户被长时间限制在座椅或床上、并且需要容易得到的流体容器和完全埋置在所述身体支持系统厚度内的管理系统的情况下。本发明的身体支持系统也可以用在动态情况下，例如汽车，尤其是长时间驾驶的汽车(如卡车)，特别是长时间在不平坦的表面上驾驶的汽车(如铲雪车和农具)，这些车辆会受到因运动而引起的振动，如果采用此处公开的本发明的身体支持系统，这种振动会得到抑制，驾驶员将会从中受益。


图1是根据本发明的座垫的一个实施例的分解图，并显示了与其一起使用的座盘；
图2是图1的座垫所用泡沫体的顶部平面视图；图3是沿图2所示的泡沫体的线3-3的断面图；图4是根据本发明的座垫的第二个实施例的分解图；图5是根据本发明的座垫的第三个实施例的分解图；图6是适于和本发明的身体支持系统一起使用的能量耗散部件的顶部平面视图；图7是本发明的身体支持系统的断面图，还包括一个能量耗散部件；图8是图7中的部分部件的分解图；图9是适于和本发明一起使用的能量耗散部件的另一个实施例的顶部平面视图；图10是适于和本发明一起使用的能量耗散部件的又一个实施例的顶部平面视图。
具体实施例方式
附图在此解释了本发明的各种实施例，其中身体支持系统的形式是座垫，例如和办公椅一起使用的座垫。可以理解，这里提出的这些实施例的目的仅仅是解释，本发明的身体支持元件可用在其它的实施例中，并用于其它目的，下面对此进行讨论。
图1是本发明的座垫式身体支持元件10的第一实施例的分解图。如图1-3所示，座垫10包括泡沫体12。泡沫体12可以由此类座垫通常所用的材料制成，例如开放式或封闭式的聚氨酯泡沫塑料。泡沫体12有一个上表面13和多根大体上位于所述泡沫体12中心位置的立柱15。在如图所示的实施例中，立柱15向上延伸，因此其顶面限定了一个大体上平行于上表面13的平坦曲面。在图1-3所示的实施例中，立柱15与泡沫体12形成一体。制造泡沫体12和立柱15的泡沫材料可以发生某种程度的弹性变形。立柱15具有这样的结构当身体支持元件10缺乏其它结构元件时，每根立柱15都能基本上不依赖于其它立柱15而对用户施加的压力作出响应——发生偏转。
立柱15的结构使得在立柱15之间限定了多个气室16，这些气室16一起限定了一个容纳流体(如空气)的压力容器或室18。泡沫体12内有多道槽20从气室18向泡沫体12的外围延伸。在如图所示的座垫的最佳实施例中，槽20通向泡沫体12的前面和侧面。
立柱15的设计参数包括立柱的数目、平面间距、深度、纵横比、以及材料密度和刚度。立柱的数目取决于其尺寸和形状，可以在约5-180根的范围内，更佳的范围约为30-90根，再好一点约为40-80根。这些立柱下端的直径可以在约0.5-4.0英寸的范围内，更佳的范围约为0.75-3.0英寸，最佳的范围约为1.0-2.0英寸。这些立柱上端的直径可以在约0.5-4.0英寸的范围内，更佳的范围约为0.75-3.0英寸，最佳的范围约为0.9-2.0英寸。这些立柱的高度可达约4英寸，更佳的范围约为0.5-3.0英寸，最佳的范围约为0.5-1.5英寸。在座垫10内，立柱15的尺寸和形状可以不同。
空气槽20的数目取决于其尺寸。例如，在如图所示的实施例中，通向椅子前缘的槽20的尺寸各不相同，中间是一道大槽，大槽的每一边有三道较小的槽。与之相似，通向椅子两侧的槽20可以有预定的尺寸n。槽20的总容积是气室18的容积的函数。
座垫10还包括一个覆盖在向上延伸的立柱15上的弹性材料层30。在如图所示的实施例中，弹性材料层30的外围31位于泡沫体12的上表面13上的装配边缘14内。弹性材料层30包括顶面32和底面34。弹性材料层30的底面34限定了气室18的顶面。弹性材料层30由具有良好的弹性和流动性的材料构成。用于弹性材料层30的合适材料包括，如凝胶片和聚合物膜，或其它具有可变粘弹性的凝胶材料。一种合适的材料包括由意大利的Royal Medica公司生产的商标为LEVAGEL的凝胶。有关该材料的信息可由www.royalmedica.it上获取。弹性材料层30和向上延伸的立柱的特征都在于弹性刚度值和耗散刚度值。弹性材料层30可以用放在此弹性材料层厚度内或黏附在此弹性材料层的一侧或两侧上的织物薄片来加强。此加强方法可以包括用凝胶材料预拉伸或后拉伸织物纤维。在本发明的最佳实施例中，立柱15的弹性刚度与耗散刚度之比大于弹性材料层30的弹性刚度与耗散刚度之比。
身体支持系统的用途以及所需的身体支持系统的性质取决于所选择的材料，弹性材料层30的厚度可以在约0.1-1.5英寸的范围内，更佳的范围约为0.1-0.5英寸，最佳的范围约为0.2-0.4英寸。如图1所示，弹性材料层30的面积可以小于顶面13的面积。弹性材料层30与顶面13的相对面积可以在约20-95％的范围内，更佳的范围约为25-60％，最佳的范围约为30-55％。在一个实施例中，弹性材料层30的厚度约为0.25英寸，面积为210平方英寸，而顶面13的总面积为392平方英寸。
使用中，座垫10的泡沫体12由固定在座椅系统(未示)上的刚性座盘25支持。在如图所示的实施例中，座盘25包括用螺栓固定在盘支架27上的内盘26。举例来说，盘支架27可以由填充有玻璃的尼龙制成，最好还包括多根支持肋28。当用户坐在本发明的座垫上时，用户的体重作为垂直压力和横向剪切力被传输到用户/座垫界面。这些力通过弹性材料层30传递到立柱15。弹性材料层30和立柱15彼此协同作用，从而实现所想要的自限性机械响应(self-limiting mechanical response)。由于立柱15和弹性材料层30的弹性刚度与耗散刚度的比值，每根立柱15基本上是以弱耗散弹性弹簧的形式作出响应，这种形式类似于弹簧和减震器的各种工程模型。座椅/用户界面处高度集中的局部压力会产生不合需要的压力峰，从而使那一特定位置上的立柱15产生更大的变形，也就是说，每根立柱的变形将与其所受的作用力成比例。弹性材料层30对作用力产生响应而变形，使作用力部分耗散，并使过量的作用力弹性传递到邻近的或远处的立柱15，从而减轻了这些在人体工学上不合需要的效应。作用力被分布到邻近的或远处的立柱15上，从而获得更均匀的压力分布。这样，弹性材料层30通过弹性和耗散装置以预定的方式传递由立柱的差异偏转而产生的应力，从而限定了单根立柱的偏转和立柱对压力峰位置处的用户身体相应的反作用力，从而使得立柱在偏转时相互依赖。由于用户施加载荷而产生的垂直力会被立柱的反作用力反回，且这个垂直力是弹性材料层内的弹性和耗散张力的垂直分量，从而减少了用户感受到的真实的垂直反作用力的反作用(压力)强度。对特定的用户或特定类型的座椅用途而言，弹性材料层30和立柱15的材料和几何学特点根据本发明可以选择，从而产生所想要的重新分布的作用力水平。
位于弹性材料层30上方的透气层35可以进一步加强作用力的重新分布。透气层35可以包括开放式或非织造粘弹性材料，这些材料有规定的厚度和粘弹性，在作用力到达弹性材料层30之前，该透气层35可以进一步耗散此作用力。可以选择在透气层35和弹性材料层30之间放一层中间泡沫层37。一层盖布(未示)可以覆盖在整个座椅结构上。层12、30、37、35以及盖布可以彼此预先黏合在一起，例如用黏合剂。或者，这些层也可以简单地叠放在一起，此时，层与层之间应该有足够的摩擦，以防止在使用过程中受到剪切力作用时各层之间相对滑动。
本发明的结构会把源于用户/座椅界面的剪切力传递到各层之间的整个界面上，直到弹性材料层30。在受到剪切力作用时，弹性材料层30会发生粘性变形，从而抵消了用户体重的剪切分量和/或耗散装置施加的载荷，因此用户的皮肤就不会感到真实的弹性剪切分量。结果，用户的组织在垂直方向上基本上只感觉有压应力。剪切应力的减小可以减小组织变形和扭曲，从而可以减小压力溃疡产生的可能性，并减小对这些组织附近的血管活动不合需要的影响。
当用户离开本发明的座垫时，泡沫体12、立柱15和弹性材料层30的弹性能使座垫的剪切变形和压缩变形结构完全恢复。被动式空气泵降低压力，从而允许外界空气透过外层盖布、透气层以及选择的中间泡沫层，进入气室和槽，如果使用开口式泡沫塑料，还会进入泡沫体12内的开口穴。在用户施加压缩和剪切力之前，弹性材料层30也会恢复到其原始形状。
本发明的身体支持系统既能提供动态支持又能提供静态支持。当振动通过座椅系统传递到用户时，处于动态坐姿的用户的不舒适感会上升，例如在汽车或公交座椅系统中。本发明中的身体支持系统的多层结构能够滤去压缩和剪切振动模式中有害的较高频率成分，从而提供强化的动态支持。身体支持系统的每个元件，即泡沫体、立柱、弹性材料层和透气层，都能为振动过滤过程做出贡献。这些元件所用的材料以及这些元件的尺寸和形状可以选择，从而为用到身体支持系统的特定环境提供动态支持特性。静态支持是那些元件的刚度的函数，尤其是立柱的刚度。
本发明的身体支持系统也改善了与用户之间的热相互作用。这一点是通过几个装置实现的。本发明的身体支持系统促进了作为热源的用户和作为热管和散热器的身体支持系统之间的热交换。这一热交换部分是通过气体交换产生的对流实现的。在身体支持系统是座垫的实施例中，当座垫不用时，气室18和空气槽20都充满了空气，泡沫体12的穴也充满了空气。当用户占据座椅且对座垫10施加压力和剪切力时，空气被迫通过空气槽20离开气室18，并回到弹性材料层30和透气层35之间的区域。一些空气也可以直接从空气槽20中通过透气层35或者到达盖布。透气层35用于向用户散布空气，从而有助于热交换并使用户感到舒适。透气层35也允许空气/蒸汽从用户渗透到座垫中，座垫中的空气/蒸汽和热量可以通过透气层35到达弹性材料层30，然后弹性材料层30就起散热器的作用。用户/座椅界面处的空气流动也允许蒸发，蒸发加强了冷却效果，并进一步使用户感到舒适。
为便于热交换，理想的透气层35要有预先选择的纤维定向性和各向异性的透气性，这取决于座垫10的特定用途。另外，可以用相变材料处理透气层35，以进一步调节用户/座椅界面处的热交换过程。此相变材料一般以微胶囊的形式出现，其尺寸和包装要不影响透气层35的微孔率。合适的相变材料包括由科罗拉多州Boulder市Outlast科技有限公司生产的市售相变材料和转让给Outlast科技有限公司的美国专利US6207738中公开的相变材料。透气层35也可以由多层材料形成。
在这里公开的每一个实施例中，一般可以用下面的方法加强热量调节1)泡沫体的多孔结构；2)由身体支持系统的组件的结构产生的气流循环；3)弹性材料层的大热容量；4)所选材料的导热性；5)相变材料的使用，以及6)盖布和弹性材料层上所有层的微孔性和透气性。
这样，本发明的身体支持系统允许对流传热与传导、蒸发和/或辐射传热过程(例如利用现有技术中的设备产生的)一起发生，或者用前者代替后者。作为立柱15变形的结果，压缩空气循环机构可以进一步实现有利的热性质。有利的是，这种空气循环无须气流阀或鼓风机也无须额外的动力空气泵即可实现。
图4图解说明了本发明的座垫的另一个实施例。座垫110包括泡沫体112。泡沫体112可以由此类座垫中通常所用的材料形成，例如开放式或封闭式聚氨酯泡沫塑料。泡沫体112有一个上表面113和多根大体上位于所述泡沫体112中心的立柱115，因此所述立柱115的顶面限定了一个大体上平行于上表面113的曲面。在图4所示的实施例中，立柱115与泡沫体112形成一体。制造泡沫体112的泡沫材料在一定程度上可以发生弹性变形。立柱115具有这样的结构每根立柱115都能基本上不依赖于其它立柱115而对用户施加的压力作出响应——发生偏转。
立柱115的结构使得在立柱115之间限定了多个气室116，这些气室116一起限定了一个压力容器或气室118。泡沫体112内有多道槽120从气室118向泡沫体112的外围延伸。
座垫110还包括一个覆盖在立柱115上的弹性材料层130。在如图所示的实施例中，弹性材料层130的外围131位于泡沫体112的上表面113上的装配边缘114内。弹性材料层130包括顶面132和底面134。弹性材料层130的底面134限定了气室118的顶面。弹性材料层130由具有良好的弹性和流动性的材料构成。用于弹性材料层130的合适材料包括，如凝胶片和聚合物膜，或其它具有可变粘弹性的凝胶材料。弹性材料层130和立柱115的机械特征都在于弹性刚度值和耗散刚度值。在本发明的最佳实施例中，立柱115的弹性刚度与耗散刚度之比大于弹性材料层130的弹性刚度与耗散刚度之比。弹性材料层130的作用方式类似于图1-3的实施例中的弹性材料层30。
图4的实施例还包括座盘125和透气层135，二者的结构和功能类似于图1-3所示的实施例中的座盘25和透气层35。
图4的实施例的特征在于具有立柱145的模芯142。模芯142的周边141的尺寸和形状适于容纳在泡沫体112内。模芯142可以用与泡沫体112相同的材料制成，或者可以用弹性刚度与耗散刚度之比大于或小于构成泡沫体112的材料的材料制成。而且，立柱145的尺寸和形状可以与立柱115的尺寸和形状相同或不同。制造模芯142所用材料的选择、以及立柱145尺寸和形状的设计，允许座位设计者通过改变模具结构而选择本发明座垫110的各种机械性质和热性质。
图5图解说明了根据本发明而制造的座垫的又一个实施例。座垫210包括泡沫体212。泡沫体212可以由此类座垫中通常所用的材料形成，例如开放式或封闭式聚氨酯泡沫塑料。泡沫体212有一个上表面213和多根大体上位于所述泡沫体212中心的立柱215，因此所述立柱215的顶面限定了一个大体上平行于上表面213的曲面。在图5所示的实施例中，立柱215与泡沫体212形成一体。制造泡沫体212的泡沫材料在一定程度上可以发生弹性变形。立柱215具有这样的结构每根立柱215都能基本上不依赖于其它立柱215而对用户施加在用户-座椅界面的有效区域上的压力作出响应而偏转，用户-座椅界面位于立柱/垫块的位置上方。
立柱215的结构使得在立柱215之间限定了多个气室216，这些气室216一起限定了一个压力容器或气室218。泡沫体212内有多道槽220从气室218向泡沫体212的外围延伸。
座垫210还包括一个覆盖在立柱215上的弹性材料层230。弹性材料层230包括顶面232和底面234。弹性材料层230的底面234限定了气室218的顶面。弹性材料层230由具有良好的弹性和流动性的材料构成。用于弹性材料层230的合适材料包括，如凝胶片和聚合物膜，或其它具有可变粘弹性的凝胶材料。弹性材料层230和向上延伸的立柱的特征都在于弹性刚度值和耗散刚度值。在本发明的一个最佳实施例中，立柱215的弹性刚度与耗散刚度之比大于弹性材料层230的弹性刚度与耗散刚度之比。
图5的实施例还包括设计用来装配在泡沫体212的装配边缘214内的外缘件250，该边缘环绕泡沫体212中形成有立柱215的区域。在这一实施例中，在尺寸和形状上，弹性材料层230适于安装在外缘件250内。因此，外缘件250用于稳定地把弹性材料层230直接放置在立柱215上方，从而确保用户通过弹性材料层230施加的压力和剪切力会传递到向上延伸的立柱215上。另外，外缘件250有助于限定气室218，并且可以作为气流导流器。外缘件250可以由开放式聚氨酯塑料或非织造合成材料制成。外缘件250也可以用在采用图4所示的模芯142的那些发明的实施例中。
图6、7和8图解说明了本发明的又一个实施例，其中，本发明的身体支持系统还包括能量调节器320，能量调节器320用于将用户体重所施加的能量的垂直分量转换成非垂直分量(例如水平耗散分量)，这会有效减少用户体验到的真实的垂直的反作用力，从而提高舒适性。在一个实施例中，能量调节器320可以包括顶层322和底层324，二者都由柔性的不透水的薄膜构成，顶层和底层的各自的周边被连接在一起，从而形成一个具有内部空间330的囊状物或柔性的流体腔328，所述的内部空间330内有一个或多个壁332，所述壁在所述顶层和底层322、324的内表面之间延伸，从而在所述内部空间330内限定出多个相互连接的腔室334，所述腔室通过连接件335(例如所述壁之间或其上的隔板、空间或小孔)相互连接。所述内部体积330容纳有粘性流体336，这些粘性流体336可以在通过所述连接件335相互连接的各腔室内或之间流动。当一个力(如用户体重)被施加到能量调节器320的顶部时，直接受力的腔室334内的粘性流体336至少有一部分进一步受到压力，并且由于施加有垂直载荷的其它腔室承受该力较少，因此该流体被挤出受到更高压力的腔室。相互连接的腔室334之间的粘性流体336的水平位移耗散了用户施加的能量，因此用户体验到的实际的反作用力较少，因而感觉更舒适。
在图9所示的另一实施例中，囊状物360没有内壁332，其形式为一个柔性流体容器，充满了可能会有选择地受到压力的粘性流体。囊状物360可以带有阀门362，用于充填或排空囊状物内的流体。
在图10所示的另一个实施例中，可以降低隔间370的压力并排空其内的流体，因此可以借助于一根安装有单向阀374的柔性进口管372从外部源头向隔间内充填空气或其它流体，从而提供了储存此外部所加流体的方法；借助于一根安装有单向阀378的出口管376、通过使用静态差压或者使用此受压的或非受压的流体容器系统所带的微型泵还提供了对此流体进行后处理的方法。
当与身体支持系统(如图1所示的座垫)一起使用时，能量耗散部件320最好能位于立柱15及下方的弹性材料层30之间，或位于弹性材料层30上方和可选择的中间泡沫层37下方，或直接位于透气层35下方。或者，能量耗散部件320可以带有多个贯穿的孔340，所述孔340的位置和尺寸可以接受立柱15，从而使能量耗散部件320环绕立柱15的垂直长度的至少一部分，且至少占据气室18的部分空间。
粘性流体336可以完全容纳在能量耗散部件内。一种选择是，粘性流体可以通过一根或多根管道342在内部容积330和外部流体容器之间流动。
制造能量耗散部件320的材料可以是任何合适的材料，例如塑料片或不透气的柔性薄膜，这种材料不但柔韧，而且对所用的粘性流体来说是惰性的和不可渗透的。在身体支持系统将要使用的温度和压力条件下，这种材料也应该保持其强度和柔韧性。凝胶材料、聚乙烯或聚氯乙烯是使用最多的合适材料。粘性流体可以是任何惰性流体，这些流体在身体支持元件将要使用的可以接受的温度和压力范围内保持粘性。所述粘性流体应有的肖氏硬度A约为1-15，较好约为3-10，最好约为4-8。矿物油是本发明的许多用途中用到的一种合适的粘性流体。
所述能量耗散部件提出了多项可以改变以满足特定用户或特殊用途的需求的参数。这些参数包括如顶层、底层和内壁所用的材料，各层和各壁的尺寸，相互连接所述腔室的所述空间和孔的尺寸，粘性流体的体积和粘度。能量耗散部件320可以带有位于各腔室334之间、或位于内部体积330和所述管道342之间、或位于所述管道342和所述流体容器之间的孔、隔板和/或阀门。在一个实施例中，这些孔或阀门的开口尺寸可以由用户从外部控制，从而提供所想要的能量耗散水平。
能量耗散部件320的许多参数允许它在各种静态和动态条件下使用。能量耗散部件320可以在动态就座条件(例如农具或扫雪车)下使用以抑制或消除对用户有害的振动频率。能量耗散部件320也可以制得很薄，但仍能为用户提供有效的保护。这使得能量耗散部件特别适于用在如轮椅和盖尼式床中。其它的用途还包括床垫、减震垫、护腕、减震毯、长期站立的人所用的抗疲劳地毯、运动垫、以及例如在运动场等场所所用的用于吸收撞击能量的地毯或壁毯。通过改变身体支持系统构造所涉及的许多设计参数，可以改变这些元件中的每一个的能量吸收率，从而满足各自需求，这些构造可能涉及不同的几何比例。
在上述本发明的每一种实施例中，由于每一个部件的结构设计和材料选择而引起的流体流动造成两个重要影响。第一，流体流动有助于用户/座椅界面处的热量调节，这主要通过强制对流。第二，流体流动提供重要的机械效应，因为在座垫对由于用户体重的加载和卸载而作出变形和恢复响应时，流体流动泵送产生滞后。座垫的模型构造允许座椅设计者选择每一个部件的材料和设计，这会提供特定用途所需的热性质和机械性质。这样，本发明的座垫就能适应广泛的用途。例如，所述座垫可以在静态条件下使用，例如办公室座椅，或设计用作康复椅(例如轮椅)，或者在动态条件下使用，其中振动抑制功能是一个重要特点，例如卡车、公交座椅、农具、施工卡车、铲车和扫雪车。
在又一个实施例中，室18和槽20中的流体不一定是空气，可以是其他的流体，如电感应聚合物凝胶(electrically inducedpolymer gels)或电流变流体(electro-rheological fluid)，后者在固相和液相之间变化和/或对流体中因压力而产生的电场作出响应或由于热效应而改变颜色。流体中的电场也可以由立柱处的压电元件产生。
本发明公开了具有改进的机械响应特性和改进的热调节的身体支持系统的几个实施例。本领域普通技术人员会认识到采用已公开的实施例的显而易见的变化可以得到其它的实施例，这些变化在本说明书所附的权利要求书的保护范围之内。
权利要求
1.一种身体支持系统，包括a)一个可压缩的弹性泡沫体，它包括一流体容器装置，当所述身体支持系统的一个区域受到用户的压力时，所述流体容器装置用于控制流体从所述流体容器流向身体支持系统的外围；以及b)弹性材料装置，用于分布由用户施加到所述身体支持系统上的载荷。
2.如权利要求1所述的身体支持系统，其中所述泡沫体包括一个上表面，且用于引导流体流向所述身体支持系统外围的所述装置包括位于所述上表面内且从所述流体容器向所述泡沫体的外围延伸的多道槽。
3.如权利要求1所述的身体支持系统，还包括多根立柱，所述用于分布由用户施加到所述身体支持元件上的载荷的弹性材料装置位于所述立柱上方，并且与其啮合。
4.如权利要求3所述的身体支持系统，其中所述弹性材料装置包括粘弹性凝胶。
5.如权利要求3所述的身体支持系统，还包括用于引导流体从所述身体支持系统的外围流向所述身体支持系统的中心区域的装置，该装置位于所述弹性材料装置上方。
6.如权利要求5所述的身体支持系统，其中用于引导流体流向的所述装置包括一个安置在所述弹性材料装置上方的透气层。
7.如权利要求6所述的身体支持系统，还包括一个安置在所述透气层和所述弹性材料装置之间的中间泡沫层。
8.如权利要求1所述的身体支持系统，还包括一层盖布。
9.如权利要求1所述的身体支持系统，其形式是一个座垫。
10.如权利要求9所述的身体支持系统，其中所述座垫适于用在运动的车辆中。
11.如权利要求3所述的身体支持系统，还包括一个安置在所述泡沫体和所述弹性材料装置之间的模芯。
12.如权利要求10所述的身体支持系统，其中所述模芯包括多根立柱。
13.如权利要求11所述的身体支持系统，其中所述模芯由不同于所述泡沫体的材料制成。
14.如权利要求3所述的身体支持系统，还包括一个适于装配在所述弹性材料层的外围的外缘件。
15.如权利要求8所述的身体支持系统，其中所述盖布包括相变材料。
16.一种身体支持系统，包括a)一个泡沫体；b)多个其间有气室的弹性直立元件，每个所述弹性直立元件都能独立地变形；c)一个安置在所述弹性直立元件上方且与其接触的弹性材料元件；d)一个安置在所述弹性材料元件上方的透气层；和e)一层在所述身体支持元件和用户之间提供界面的盖布；所述泡沫体、多个直立元件、弹性材料元件、透气层和盖布协同作用，因此当用户向所述身体支持元件上施加力时，这个力引起空气从所述弹性直立元件之间的所述气室流向所述弹性材料层上方的区域，并且穿过所述的透气层到达和用户之间的界面。
17.如权利要求16所述的身体支持系统，其中所述直立元件从所述泡沫体向上延伸。
18.如权利要求16所述的身体支持系统，其中所述直立元件从所述弹性材料元件向下延伸。
19.如权利要求16所述的身体支持系统，其中所述泡沫体内形成有多道槽，所述槽方便空气从所述气室向所述界面流动。
20.如权利要求16所述的身体支持系统，还包括一个安置在所述泡沫体和所述弹性材料层之间的模芯，并且所述模芯包括至少一些直立元件。
21.如权利要求20所述的身体支持系统，其中所述立柱由刚度不同于所述泡沫体的材料制成。
22.如权利要求16所述的身体支持系统，其中所述弹性材料层包括凝胶材料和聚合物膜。
23.如权利要求16所述的身体支持系统还包括一层盖布。
24.如权利要求23所述的身体支持系统，其中所述盖布包括一种相变材料。
25.如权利要求1所述的身体支持系统，还包括一个能量耗散装置，所述能量耗散装置包括一个柔性流体容器，所述柔性流体容器容纳有一定体积的粘性流体，因此当有垂直力作用在所述柔性流体容器上时，至少一部分所述流体在所述柔性流体容器内移动。
26.如权利要求25所述的身体支持系统，其中所述柔性流体容器包括多个相互连接的腔室，因此当有垂直力作用在所述柔性流体容器上时，所述粘性流体从所述的一个腔室移动到另一个腔室。
27.如权利要求25所述的身体支持系统，其中所述柔性流体容器安置在所述弹性泡沫体上方。
28.如权利要求25所述的身体支持系统，其中所述能量耗散装置位于所述弹性材料装置的上方。
29.如权利要求25所述的身体支持系统，其中所述泡沫体包括多根立柱，且所述柔性流体容器在结构上具有多个贯穿的孔，所述孔的位置和尺寸能够容纳所述立柱，且环绕所述立柱的至少一部分垂直长度。
30.如权利要求25所述的身体支持系统，还包括一个与所述柔性流体容器流体连通的室。
31.如权利要求25所述的身体支持系统，还包括适于控制所述粘性流体在所述柔性流体容器内流动的阀门。
32.一种能量耗散系统，其包括一个柔性流体容器，所述柔性流体容器容纳有一定体积的粘性流体，因此当有垂直力作用在所述柔性流体容器上时，至少一部分所述粘性流体从所述柔性流体容器内流出。
33.如权利要求32所述的能量耗散系统，其中所述柔性流体容器包括多个相互连接的腔室，因此当有垂直力作用在所述柔性流体容器上时，所述粘性流体从所述的一个腔室移动到另一个腔室。
34.如权利要求32所述的能量耗散系统，还包括一个与所述柔性流体容器流体连通的室。
35.如权利要求32所述的能量耗散系统，其中所述粘性流体的肖氏硬度A约为1-15。
36.如权利要求32所述的能量耗散系统，其中所述粘性流体是矿物油。
全文摘要
本发明提供了一种身体支持系统，它具有改进的静态和动态机械响应特性以及改进的热调节，这些特性可以提供能量耗散能力。此身体支持系统可以是模块化构造，以提供适于特定用户或用户组或适于特定使用环境的机械响应特性。
文档编号A47C7/18GK1649532SQ02811797
公开日2005年8月3日 申请日期2002年6月14日 优先权日2001年6月15日
发明者阿明·K·哈伯布, 马库斯·C·克普克, 马修·J·菲利普斯, 克雷格·H·舒尔茨 申请人:霍恩技术公司