CN101720999A - 与保护性安全帽一起使用的能量吸收衬垫及形状适应层 - Google Patents

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Abstract

一种用于保护性安全帽构造中的多层壳体，该壳体包括外层、内层、安置于内层和外层之间的中层，及安置于内层内部的内部衬垫，该中层响应于对外层的冲击而弹性地压缩。中层包括多个可压缩部件，可压缩部件弹性地压缩，以吸收对外层的直接冲击能量，并响应于对外层的切向冲击而相对于内层弹性地切变。内层包括开口配置，开口配置减轻壳体的重量，为来自使用者头部的更多的热量提供通风，并允许可压缩元件的是可见的。内部衬垫由可仿形材料形成，可仿形材料增强使用者的适合性及舒适性而不危及使用者的安全。

Description

与保护性安全帽一起使用的能量吸收衬垫及形状适应层
本申请是2006年2月16日提交的申请号为200680012336.3(PCT/US2006/005856)，名称为“与保护性安全帽一起使用的能量吸收衬垫及形状适应层”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请为2005年2月16日提交的、名称为“用于保护性安全帽构造中的具有能量吸收层的多层气垫壳体”、申请序列号为11/059,427的共同未决美国专利申请的部分继续申请，且本申请要求其优先权。这个共同未决专利申请的全部内容通过引用而结合于此处。
发明背景
发明领域
本发明主要涉及保护性安全帽(protective headgear)。更具体地，本发明涉及保护性安全帽的分层构造，其包括具有开口配置的内层，该开口配置减少层的重量，并允许头部更多的通风，还包括由头部仿形(contouring)材料形成的内部衬垫，其提高安全帽的适配性和舒适性，并进一步降低伤害的风险，保护个人头部免受伤害。
背景信息
脑震荡，也称为轻度颅脑损伤，在运动中是常见的、严重的问题，公知地在短期及长期内对人们具有不利影响。对于运动员，脑震荡是临时性及可逆性的神经损伤，带有或不带有意识丧失。脑震荡的另一种定义是外伤引起的脑功能的改变，表示为1)知觉或意识的改变，以及2)通常与颅脑损伤后综合征相关的体征和症状，如持续性头痛、失去平衡、及记忆力障碍，仅列出这些，但还有很多。由于脑震荡，一些运动员不得不缩短其职业生涯，特别是由于那些持续性的多重脑震荡，其显示出进一步的脑震荡及愈加严重的症状的更强烈倾向。虽然脑震荡在运动员中很普遍，但脑震荡的研究是困难的，治疗选择实际上是不存在的，且“回到比赛”的指导方针是推测性的。因此，脑震荡的当前最佳解决方法是防止及最小化。
施加于脑部的力所导致的脑震荡通常是对脑部直接撞击的结果，其导致对脑部组织的剪切力，及并发的不利的神经代谢及神经电生理的连串反应。在头部冲击中，由脑部经受的力有两种主要类型，线性加速度与旋转加速度。两种类型的加速度被认为是引起脑震荡的重要因素。因此，加速度大小的降低减小了施加于脑部的力，并因此降低了脑震荡的风险或严重程度。
众所周知，保护性安全帽通过降低它们的佩带者经受的加速度(或减速度)的大小而保护佩带者免受头部伤害。当前市场上销售的安全帽主要针对线性力，但一般不减小由脑部经受的旋转力。头盔一般分为两种类型：单次冲击头盔和多次冲击头盔。单次冲击头盔在冲击下遭受永久变形，而多次冲击头盔能够承受多次撞击。单次冲击头盔的应用包括，例如，自行车或摩托车。身体接触性运动的参与者，如曲棍球和足球，使用多次冲击头盔。两种头盔具有类似的构造。半刚性的外部壳体在广泛的区域上分配冲击力，可压扁的内层减小作用于佩带者头部的力。
单次冲击头盔的内层通常由熔合的发泡聚苯乙烯(EPS)构成，聚合体添加有发泡剂。EPS通过在冲击力下的永久变形而减少到达头部的能量总量。为了有效抵制冲击，内层必须足够厚，以不会在其整个厚度上完全地压扁。然而，厚的内层要求相应地增大外壳的尺寸，这增大了头盔的尺寸，使其笨重。
为多次冲击头盔设计的内层通过弹性的及黏弹性的变形吸收能量。为吸收多次连续的碰撞，这些安全帽需要快速回弹以回复它们的初始形状。然而，回弹太快的材料允许一些冲击的动能传递到佩带者的头部。具有正回弹特性也称为弹性记忆的材料的示例包括发泡聚氨酯、膨胀聚丙烯、膨胀聚乙烯、及发泡乙烯基腈。虽然这些材料中的一些具有希望得到的回弹性质，由其制造的内层必须足够厚以防止来自穿透其整个厚度的有力冲击。如前所述，厚层的缺点是导致头盔笨重。此外，这种材料的能量吸收特性随温度逐渐增加而趋于减小，但是，正回弹特性随温度逐渐减小而增加。因此，仍然要求改进的安全帽构造以降低脑震荡的风险及严重程度，而不具有前面提到的当前头盔设计的缺点。
发明概述
在一个方面，本发明揭示的保护性安全帽包括具有向内朝向面的外层、具有朝向外层的表面的内层、及具有多个可压缩部件的中层，可压缩部件安置于由内层及外层限制的容纳流体的空隙区域内。每个可压缩部件附接于内层的表面上，并附接于外层的向内朝向面上。本实施例的保护性安全帽还包括至少一个通道，通过该通道，当保护性安全帽经受冲击时，流体可以离开中层。
相应于本发明，提供一种制造保护性安全帽的方法，包括通过形成多个单独可压缩部件而形成多层壳体、提供外层及内层、以及产生具有单独可压缩部件的复合结构，可压缩部件安置于由外层和内层限制的空隙区域内，各个压缩部件附接于外层的向内朝向面上，并附接于朝向外层的内层表面上。
在另一方面，本发明揭示的保护性安全帽包括具有向内朝向面的外层；具有朝向外层的表面的内层；以及具有多个可压缩部件的中层，可压缩部件安置于由外层和内层限制的空隙区域内；以及内层的向内安置的内部衬垫层。该内层具有开口配置或为不连续的形式。内部衬垫层由仿形材料形成，其增强使用者的适应性及舒适性而不危及使用者的安全。
附图简要说明
本发明的上述及另外的优点可以通过参考下面结合附图的描述而更好地理解，其中，各个图中的类似标号表示类似的结构元件及特征。附图不必依比例确定，而是重点在于举例说明本发明的原理。
图1为根据本发明构造的保护性安全帽的一个实施例的侧视图。
图2为图1的保护性安全帽的截面图，具有安置于可压缩内层和中层之间的坚硬内层。
图3为本发明保护性安全帽的另一实施例。
图4为用于体现本发明的保护性安全帽的分层构造的再另一实施例的截面图，该实施例具有多层壳体，多层壳体具有安置于外表面和内表面之间的多个可压缩部件。
图5为用于形成多层壳体，例如用于构造保护性安全帽的方法的示意图。
图6为用于在图5的多层壳体中加入内层的方法的一个实施例的示意图。
图7A为在直接冲击过程中的本发明保护性安全帽的操作示意图。
图7B为在切向冲击过程中的本发明保护性安全帽的操作示意图。
图8A为具有用于保持流体量的空腔的可压缩部件的一个实施例的图示。
图8B为模拟对图8A的可压缩部件进行高能量冲击的效果的连续示图。
图8C和图8D为图8A的可压缩部件的拉伸能力和弯曲能力的说明示意图。
图8E为图8A的可压缩部件在压缩时的图示。
图9A为具有用于保持流体量的空腔的可压缩部件的另一实施例图示。
图9B为具有开口的壳体的实施例的截面图，开口形成于其外层和内层中，用于流体通道。
图10A为具有外壳、内层、和多个可压缩部件的壳体的一个实施例的截面图，多个可压缩部件安置于外壳和内层之间。
图10B为图10A的外壳在佩带者头部上的示意图。
图10C为在直接冲击过程中的图10A的保护性安全帽的操作示意图。
图10D为在切向冲击过程中的图10A的保护性安全帽的操作示意图。
图11A为图9A的使用可压缩部件的保护性安全帽的一个实施例的后视图。
图11B为具有外壳、内层和多个可压缩部件的壳体的一个实施例的截面图，多个可压缩部件安置于外壳和内层之间。
图12示出了本发明的内壳层的一个实施例。
图13示出了本发明的内壳层的另一个实施例。
图14示出了本发明的内壳层的第三个实施例。
图15示出了本发明的内壳层的第四个实施例。
示例性实施例的详细描述
本发明涉及保护性安全帽，其设计用于减少头部冲击到达佩带者脑部的力的总量。安全帽包括具有多层构造的壳体，用于缓冲冲击，从而减慢佩带者头部速度的改变，相应地减小由佩带者经受的加速度或减速度的大小。如下面的进一步描述，保护性安全帽传动装置可以包括外层、能量吸收中层、及内层，这些层的一个或多个由能量吸收可压缩材料构造成，且内部衬垫层由可仿形材料形成，其仿形个人头部的形状。在优选实施例中，可仿形材料是使用依赖性(use-dependent)的仿形形式。在另一优选实施例中，可仿形材料是均压仿形流体。其它实施例可以包括这些可压缩及可仿形材料的结合。
壳体的能量吸收层的各种实施例用于在冲击安全帽过程中提供空气衬垫。在优选实施例中，冲击造成空气从能量吸收层中被排出。本发明保护性安全帽可以通过以下任何一种方式或结合方式的移动而响应冲击，包括(1)在壳体的广泛区域上全面地压缩，(2)在冲击点处局部地压缩，(3)通过壳体的外层而弯曲，及(4)通过外层和内层相对于能量吸收层旋转。
可以采用本发明的多层构造用于多种类型的保护性安全帽，包括但不限于，安全头盔、摩托车头盔、自行车头盔、滑雪头盔、长曲棍球头盔、曲棍球头盔、及足球头盔、棒球和垒球的打球头盔、攀岩及登山安全帽、及拳击安全帽。保护性安全帽的其它应用包括在建筑工地、防御和军事应用、及地下活动中使用的头盔。虽然下面的描述重点首要在于保护性安全帽，可以理解，本发明的系统的分层结构适用于其它类型的用于体育运动或其它应用的设备，如，面具、肘垫、肩垫、及胫垫。
图1示出了根据本发明构造的保护性安全帽2的一个实施例的侧视图。这里，保护性安全帽2是具有空气动力学形状的为自行车骑乘者而设计的头盔。这个形状仅为示例性的；可以理解，头盔形状可以变化，取决于头盔所设计应用的具体运动事件或活动。而且，本发明的保护性安全帽可以与各种其它特征一起构造，如用于曲棍球头盔的笼子、用于足球头盔的面罩、用于摩托车头盔的脸盔、固定束带、下巴束带等等。
图1的保护性安全帽或头盔2包括接近顶部的通风开口6，以为冷却佩带者头部允许空气流通。这里，通风开口6为泪滴状，各指向头盔2的后面10，以给予速度的视觉。为清楚起见，用于头盔2构造中的材料的各种层作为单个层14而显露于开口6中。如果头盔具有对称设计，通风开口还可以在头盔2的另一侧上(未示出)。这种开口6为示例性的，并根据头盔的类型，可以具有各种其它形状或一起省略。本领域那些技术人员可以理解，根据本发明构成的保护性安全帽还可以包括其它类型的开口，如耳洞。
图2示出了图1中沿A-A′的头盔2的截面图。在所示的实施例中，头盔2包括外壳层20、可压缩中层24、坚硬内壳层28、及可压缩内部衬垫32。外壳层20、中层24，及内壳层28一起提供冲击吸收壳体30。如此处所使用，由于层基于相对的松弛是可压缩的，所以该层响应于作用力而减少厚度。通常，可压缩层比坚硬层更易于响应于作用力而减少厚度。可压缩层24、32可以响应于作用力而可辨识地压缩。相反，当由轻易可辨识的厚度减少所限定时，如果类似的力直接作用于内壳层28上，没有轻易可辨识的压缩发生，即使那个层可能通过弯曲而暂时地变形。根据任何一种硬度测试而确定的数字表示的硬度值，如Shore(硬度计)测试，可用于测量各个层的相对硬度。通常，可压缩层测量出比坚硬层更软。
如下面的更详细描述，各个层可以由轻量级材料构造，从而有助于构造轻量级头盔。虽然没有按比例绘出，图2示出了各种层和覆盖层的相对厚度的一个例子。这些相对厚度还可以脱离图2所示的那些而不脱离本发明的原理。例如，自行车头盔可以用厚的内壳层28(如，膨胀聚苯乙烯)及用比内壳层28更薄的TPE中层24制成。同样，另外的层可以安置于中层24与内壳层28之间，或内部衬垫32与内壳层28之间，而不脱离本发明的原理。
外壳层20覆盖中层24并提供各种功能。例如，外壳层20可以通过保护头盔2免受刺破及刮擦而提供耐久性。其它功能包括为偏转切向冲击而展现的平滑表面、防水、及显示装饰特征，如颜色和识别产品的商标名称。在优选实施例中，这个外壳层20由TPE材料制成。
在外壳层20的下面，可压缩的中层24覆盖内壳层28的外表面。中层24附接于内壳层28上。中层24的首要功能是冲击能量的吸收。优选地，中层24由热塑性弹性体材料构成。
热塑性弹性体或TPE为聚合体混合物或化合物，在加热到超过它们的熔化温度时，其展现热塑性特性，使其能够成形为制作的物品，且当冷却至它们设计的温度范围时，其拥有弹性特性。因此，TPE结合了塑胶和橡胶的有益特征，即当加热时，TPE是可模压的并可成形成希望得到的形状，且当冷却时是可压缩及可伸展的。相反，热塑性塑料和传统的橡胶均不能单独地展示这个结合的特征。
为达到满意的目的，传统的橡胶必须是用化学交联的，处理方法通常称作硫化。这个处理方法慢、不可逆，并导致由共价键链接在一起的单独聚合体链在正常处理温度下保持有效。结果，当加热至这些正常处理温度时，硫化橡胶不会变成流体(即，橡胶不会被熔化)。当正好加热超过正常处理温度时，硫化橡胶最终分解，导致基本上所有有用特征的丧失。从而，传统的硫化橡胶不能通过包括熔化材料成形的处理方法而形成有用的物体。这种处理方法包括注射成型、吹塑及挤压，广泛地用于从热塑性塑料生产有用的物品。
当冷却时，热塑性塑料通常不具弹性，且使用当前用于以热塑性塑料运作的制造方法及设备时，如注射成型及挤压，传统的橡胶不可模制。然而，这些处理方法适合以TPE运作。
大多数的TPE具有共同的特性：它们是相分离(phase-serparated)系统。在室温下，至少一个相是坚硬及坚固的，且另一相是弹性及流体的。通常相通过嵌段或接枝聚合而化学结合。在其它情形下，相的良好分散是明显足够的。硬质相给予TPE以它们的强度。没有硬质相，弹性体相将会在压力下自由流动，且聚合体会是不能用的。当熔化硬质相时，或溶解于溶液中时，可以发生流动，并由此可以处理TPE。由于冷却或溶剂的蒸发，硬质相凝固且TPE恢复它们的强度。因此，从某种意义上说，TPE的硬质相的表现类似于传统硫化橡胶中的化学交联，硬质相的这种处理通常称作物理交联。同时，弹性体相给予TPE以弹性和柔性。
TPE的例子包括嵌段共聚物，嵌段共聚物容纳化学联接于硬质热塑性塑料嵌段的弹性体嵌段，以及这些嵌段共聚物与其它材料的混和物。合适的硬质热塑性塑料嵌段包括聚苯乙烯嵌段、聚亚安酯嵌段、及聚酯嵌段。TPE的其它例子包括硬质热塑性塑料与硫化弹性体的混和物，其中，硫化弹性体呈现小粒子扩散。这些后来的混和物公知为热塑性硫化物或动态硫化物。
TPE还可以用多种硬度值制造，如软的凝胶，或硬度为90邵氏(Shore)A硬度或更大。TPE材料的一个特征是作用于头盔2上的力被移开时，其能够回复其初始形状(即，TPE材料显示有记忆力)。TPE材料的其它特征包括其抗撕裂、能接受染料、及回弹性(rebound resilienceelasticity)。回弹性是恢复能量相对于施加能量的比率，并表示为百分率范围从0％到100％。理想的能量吸收体具有0％的百分率；理想的弹性材料具有100％的百分率。通常，具有低回弹性的材料从冲击目标处吸收大多数所施加的能量，并很少或不会再转移那些能量。为举例说明，钢球落在具有低回弹性的材料上表现出很小的回弹或不回弹；材料吸收了落下的球的能量。相反，如果球落在具有高回弹性的材料上，球充分地回弹。
这些TPE的另一优点是它们的可以存在于宽温度范围内的有利特征。优选地，中层24的TPE材料具有低于华氏零下20度的玻璃转变(glass-transition)温度。玻璃转变温度是低于损失其柔软性质及弹性性质的材料的温度。根据头盔2的具体应用(如，华氏0度的玻璃转变温度可以足够用于棒球头盔，而华氏零下40度的玻璃转变温度可能需要用于足球头盔及曲棍球头盔上)，具有适当玻璃转变温度的TPE材料可以选用于中层24。
TPE还可形成各种结构。在一个实施例中，中层24加工处理成单独的部件，如圆柱体，或其它形状如棱锥体、球体、或立方体，允许每个部件结构的独立运动，并在冲击过程中，允许部件周围的空气自由流动。优选地，各个单独的部件具有空气填充腔，如下面的更详细的描述。在另一实施例中，层具有蜂窝结构(即，华夫饼式，waffle-type)。蜂窝结构的相互连接的六边形单元提供冲击吸收及高强度-重量比，其允许轻量级的头盔构造。相互连接的单元均匀地在整个结构上吸收并分配冲击能量。由于大多数的材料量由开口的单元制成，蜂窝结构还降低材料成本。这个结构可以为任何一种在其中材料形成相互连接的侧壁及开口单元的结构。单元可以具有除了六边形以外的形状，例如，正方形、矩形、三角形、及圆形，而不脱离本发明的原理。
将中层24形成于内壳层28上可以利用挤压、吹塑、铸造、或注射成型的处理方法完成。可压缩的中层24和内壳层28可以分别制造并在生产之后粘结在一起，或可以将它们作为一个构件制造，并在制造过程中，将两层相互粘结。TPE易于粘合到各种类型的基层上，如塑胶，并因此，TPE和基层一般一起制造。至于TPE结构的固体形态及泡沫形态，中层24的柔软度(或相反地，硬度)也可以在硬度计的范围之上确定。优选地，这些形态的硬度范围在邵氏A硬度5和90之间，包含5和90。中层24的厚度可以变化而不脱离本发明的原理。在一个实施例中，中层24大约为1/4至1英寸厚。
内壳层28由坚硬材料构成，如刚性的热塑性塑料、热塑合金、膨胀聚苯乙烯、或如玻璃纤维、
Figure G2009102098713D00101
或BP CurvTM这样的玻纤增强材料。内壳层28起到为头盔2提供结构、抗穿刺、及分配冲击能量给内部衬垫层32的作用。在一个实施例中，内壳层28的厚度为1英寸的1/16。内壳层28的厚度可以变化而不脱离本发明的原理。
内壳层28可由单件材料构成。或者，可以为不连续形状，这样，层28包括材料的线、带或弧，其在头顶相接，并通过以形成图案形式的空隙断开。如下面的进一步描述，内壳层28不连续形状的例子可以包括但不限于巴克球(buckeyball)形状、栅格形状、短程线型网壳(geodesic dome)结构及蜂窝。内壳层的不连续形式的益处是减轻壳体的重量，热量更容易从使用者头部通过由开口限定的开口空间而通风，并可见可压缩元件及允许与可压缩元件的手动接触。
提供另一冲击能量吸收层，内部衬垫层32与佩带者头部相接触。内部衬垫32的其它功能可以包括调整尺寸、弹性、通风、及舒适。通常，内部衬垫32可以由热塑性弹性体、如大约1/2至1英寸厚度的泡沫材料构成。其可以由膨胀聚苯乙烯构成。
在一个优选实施例中，内部衬垫32由使用依赖性仿形泡沫或均压仿形流体构造。在本发明范围内构思的一种类型的使用依赖性仿形泡沫将永久模制于使用者的头部，但是将在一段期间之上这样做。这种泡沫的另一种类型是在绕使用者头部压缩时成形，并仅当某物造成其改变时才变形。均压仿形流体即刻形成压缩元件，并不会回弹，或回复其初始形式。更合适地，其保持元件的形状直到由另一压缩元件变形，并不会回弹。因此，这种仿形流体能够重复形成定制模，并将保持其暴露的最终元件的形状。在这个实施例中，可以在气囊中维持流体，并因为是流体，其将到处是等压的。
可压缩内部衬垫32附接于内壳层28的内表面上。附接方式取决于使用材料的类型(内壳层28和内部衬垫32的材料)。
使用本发明头盔的重点是头盔完全适合并在冲击过程中保持在适当的位置。在没有示出的实施例中，头盔从接近耳朵的区域向下延伸并覆盖佩带者的下巴角。这个延伸可以为柔性的，且当与下巴缚带(chinstrap)结合使用时，可以拉紧以给下巴周围提供贴身舒适。图3示出了根据本发明构造的头盔2′的另一个实施例。这里，头盔2′为足球头盔(没有示出面罩及下巴缚带)。头盔2′举例说明了覆盖耳朵及佩带者的部分下巴的设计。头盔2′具有接近于头盔2′顶部及在头盔2′侧面上的通风开口6′和耳洞8。再一次为了清楚，用于头盔2′构造的各种材料层作为单个层14′而呈现于各个开口6′中。
图4示出了例如用于保护性安全帽的构造中的分层壳体30′的实施例的截面图。在这个实施例中，壳体30′具有外层20′、内层28′、及安置于内层28′和外层20′之间多个独立的可压缩部件50。各个部件50附接于外层20′的向内朝向面，并附接于朝向外层20′的内层28′的表面。部件50是独立的，因为各个单独的部件50可以独立于其它部件50而压缩或切变(shear)。这里，部件50具有回弹性的、可压缩的固体构造或泡沫构造。
部件50的范围可以为大约1/8英寸至1英寸高，以及1/8英寸至1/2英寸的直径，并不要求高度或直径的统一。虽然示出的是圆柱的形状，但部件50可以具有多种形状，例如，锥体、立方体、矩形、球体、圆盘形、及滴状。优选地，部件50由TPE材料(如，固体形态、泡沫)构造，但其它类型的可压缩材料可以用于生产部件50而不脱离本发明的原理，提供的这种材料可以使部件具有足够的回弹力以响应于由倾斜、拉伸、剪切、及压缩所产生的各种类型的冲击。
在一个实施例中，各个部件50之间存在空间上的分隔。本文称为空隙区域52，限制于内层28′和外层20′之间的部件50之间的间距限定流体量。如本文所使用的，该流体为任何流动物质，如气体和液体。可以设计相邻部件50之间的距离，以使所希望的壳体30′体积比例(如，＞50％)包括流体。在一优选实施例中，空隙区域52内的流体为空气。容纳空气的空隙区域52提供用于轻量级的安全帽。
在图4中，为了揭示中层24′的部件50，夸大了外层20′和内层28′之间的距离。(此处，中层24′包括部件50和空隙区域52)。通常，外层20′和内层28′靠近并可以相互接触，以使层20′、28′之间的任何间隙或是极细微的或是不存在的。优选地，外层和内层在沿壳体30′的任何点上不直接相互附接。不直接地附接层能使外层在冲击过程中独立于内层以类似头皮的形式移动。在沿壳体边缘的一个或更多的点上，外层接近于内层，弹性粘合剂或另一插入物质或材料，可以应用于两层之间，以使层20′、28′紧密地相互接近。这种粘合剂可为弹性的凝胶(类似于橡胶接合剂)或附接于各个层20′、28′上的胶带。尽管这种插入材料的粘合附接于各个层20′、28′上，但外层仍然可以相对于内层以类似头皮的形式移动。在沿壳体边缘的不同位置处的这种粘合剂中可以存在间隙，以允许在冲击壳体过程中，空气离开中层24′，或当冲击结束时，空气进入中层24′，如下面更详细的描述。
图5示出了生产用于构造保护性安全帽中的壳体30′的方法。根据这个方法，可压缩部件50由TPE材料54构成。在步骤60，TPE泡沫58由TPE材料54生产，如前所述。在步骤64，TPE泡沫58挤压成所希望的结构61，此处，例如，柱形部件。可压缩部件的初始构造可为链条形式(即，多个部件的单一连续串，类似于火车车厢之间的联结)。或者，可压缩部件可以共同形成更大的单元，当TPE结构61放平时，其具有类似于耙子(rake)的外观，当放置于内层28′上时，其呈现半球形状。用于一起形成部件的其它技术可以用于生产所希望的结构61。
TPE泡沫结构6 1安置于(步骤68)材料的第一薄片62和第二薄片63之间，并附接于材料的第一薄片62和第二薄片63上，材料的第一薄片62作为内层28′，且材料的第二薄片63作为外层20′。可以通过例如粘结剂将可压缩部件一次一个部件50地附接在内层28′上。或者，各个部件50可以具有尖端、管口、杆，其可以插入内层28′中的适当成形的开口中，以支撑该部件于适当位置。在一个实施例中，TPE泡沫结构61具有与用于内层和外层的薄片62、63相同的化学成分，从而，在制造加工过程中，能使TPE泡沫结构与各个层之间进行化学粘结。从而，尽管不排除使用，但二次粘结剂对于将TPE泡沫结构附接于这些层上不是必需的。接着可以切割(步骤72)所产生的复合结构65的薄片，并形成(步骤76)壳体30′(仅示出了部分壳体)的所希望的形状。
作为一起剪切及成形内层、中层、及外层的代替，如前所述，壳体的三个层的各个层的制造和成形可以单独地发生，及然后单独成形的层可以相互粘结。如另一个实施例，中层和内层可以一起成形，且外层单独地成形；然后，可以粘结外层于中层上。这个实施例可以导致头盔的制造模块化。例如，头盔的内部构件，即，衬垫、内层、及中层，可以具有标准的结构(即，使用内部构件的运动头盔具有相同的外观，而与其类型无关)，外部的运动特有层粘结于中层上，或在内部构件周围注射成形，以为特定的运动提供专用头盔。
如图6所示，可压缩(如，泡沫)内部衬垫32′可接着附加到(步骤80)多层壳体30′上。图6示出了部分壳体30′及内部衬垫32′的截面图。衬垫32′附接(如，用粘结剂)于内层28′的向内朝向面上。内部衬垫32′的形状与壳体30′的总体形状及佩带者的头部形状相一致。
本发明的壳体30′可减小安全帽佩带者头部经受的线性加速度及旋转加速度。线性加速度发生于佩带者头部的重心在线性方向上迅速转移时，例如可能发生于安全帽从侧面被撞击时。旋转加速度，广泛认为是脑震荡的主要原因，可以发生于头部围绕重心快速地旋转，例如可以发生于安全帽被切向撞击时。大多的冲击造成两种类型的加速度。
图7A示出了壳体30′的示例性的模拟操作，壳体30′同固体或泡沫部件50一起经受来自物体100的直接冲击。在这个例子中，壳体30′操作以减小安全帽佩带者头部104的线性加速度。当物体100撞击外层20′时，部件50直接在冲击压点处的外层20′之下。壳体30′的压缩还造成空气穿过壳体30′边缘处的一个或更多的开口而退出中层24′(箭头108)，在壳体30′边缘处，内层和外层28′、20′相互靠近。空气还穿过空隙区域而离开冲击点(箭头110)。通过可压缩部件50的能量吸收及通过释放和移动空气的空气缓冲的组合效应，减少了到达佩带者头部104的能量总量。当冲击力减弱时，内层和外层28′、20′的形状及弹性进行操作以回复壳体30′和压缩的部件50至它们的初始形状。当还原为初始形状时，壳体30′通过在边缘处的各个开口有效地吸入空气。
图7B示出了壳体30′的示例性的模拟操作，壳体30′同固体或泡沫部件50一起经受来自物体100的切向冲击。在这个例子中，壳体30′操作以减小安全帽佩带者头部104的旋转加速度。当由物体切向撞击时，外层20′相对于内层28′在物体的运动方向上切变，如箭头112所示。外层20′的平滑可以操作以减小与物体100的摩擦，相应地，减小由壳体30′经受的旋转力。部件50在冲击点处压缩至某一程度并与外层20′一起切变。如图7A的例子，压缩造成空气退出中层24′并在空隙区域内移动。外层20′和部件50的切变运动、中层24′的能量吸收压缩、空气的释放和移动的组合效应进行操作以减小到达佩带者头部104的旋转力。当冲击力减弱后，壳体30′和部件50回复至它们的初始形状。
图8A示出了根据本发明的用于为壳体30′构造中层24′中的可压缩部件50′的一个实施例。本发明的实施例可用这种类型的部件50′协助或代替在壳体30′边缘处的开口。制造TPE材料的部件50′还进行操作以改进壳体的能量吸收效果，虽然可压缩材料的其它类型可以用于生产部件50′。部件50′具有上表面120、下表面124、及侧壁128，上表面120、下表面124、及侧壁128限定中空内腔132。上表面120附接于外壳74的外层20′上，且下表面124附接于内层28′上。下表面124具有成形于其内的小开口136。例如，当部件50′在箭头140所示的大致方向上压缩时，气流144退出小开口136。
设计开口136的尺寸以对造成部件50′压缩的任何冲击产生速度灵敏(rate-sensitive)的响应。例如，如果部件50′上的力的应用是渐进的或相对低能量的，开口136允许足够的空气通过，以使部件50′渐渐地压缩并展现对力的小阻抗力。例如，因为在某些实施例中，能量吸收中层和外层和内层由可压缩材料制成，个人可以用手或手指的适度触碰而手动地压缩保护性安全帽的壳体。由于力的施加是渐进的，佩带者的头部不会明显地加速，并由此较少可能地经受脑震荡。另外，佩带者可以感觉空气正从部件50′排出至他或她的头部，如下面的描述。
如图8B所示，如果部件50′上的力的施加是瞬时发生的或相对高能量的，冲击能量被转换成热量，薄片状的或紊乱的空气在腔132内流动。开口136的尺寸相对于由力而移动的空气量较小，其限制了紊乱的或薄片状的空气从腔132的排放，并由此造成腔132内的抵抗力。最后抵抗力被克服且空气流出，但在这个处理过程中，冲击能量由此转换至热量。依赖于能量输入，这个可变的响应称作速度灵敏的或非线性的响应。这个结构的优点是，当部件50′压缩并排空全部空气量时，TPE材料的长度保持不变，其进一步吸收能量。这有助于阻止“降至最低点”(“bottoming out”)，即，完全地压缩以使部件50′的缓冲效应消失及碰撞力直接传送至佩带者头部。除了提供这个速度灵敏的响应之外，部件50′还可以在切向冲击过程中类似于上述的部件50地伸展及弯曲，如图8C和图8D所示。
图8E示出了可压缩部件50′在压扁后的实施例。由于其弹性特性，部件50′的趋向是回复其未被压缩的形状。部件50′所附接的内层和外层28′、20′也有助于部件50′恢复至其未被压缩的形状。由于它们的半刚性和弹性，内层和外层28′、20′的趋向是回复至它们的冲击前的形状，这种趋向操作以推动部件50′回复其未被压缩的形状。因此，在从壳体30′移开力之后，部件50′向由箭头150所指示的方向膨胀，从而所示空气如箭头144′所指示通过开口136。图8F示出当力被移开时，速度灵敏可压缩部件50′的模拟膨胀顺序。
图9A示出了速度灵敏可压缩部件50″的另一实施例的截面图，其形状大体为矩形的(即，条状)。部件50″具有上表面160、下表面164、侧壁168-1、168-2(总体上，168)、及中空内腔172。上表面160附接于壳体30″的外层20′的向内朝向面上，且下表面164附接于内层28′的表面上。各个侧壁168具有分别成形于其内的小开口176-1、176-2(总体上，168)。(本发明的实施可以仅以其中一个具有开口的侧壁168而实现)。当部件50″大致在箭头180所示的方向上压缩时，气流184退出小开口176并通过壳体的空隙区域。本实施例示出了各种类型的形状，例如圆盘形、圆柱形、及锥体形，其可以用于实现本发明的速度灵敏可压缩部件，能够将冲击能量转换成紊乱的或薄片状的气流的热量。
图9B示出了壳体30′″的截面图，壳体30′″具有多个速度灵敏可压缩部件50′″，部件50′″安置于外层20′和内层28′之间。各个可压缩部件50′″具有用于流体(如，空气)通过的多个开口176。内层可以具有形成于其内的开口200，以允许流体的通过。在冲击过程中，流体溢出速度灵敏可压缩部件50′″，或在冲击之后回复至可压缩部件50′″，从而具有离开或进入壳体30′″的途径。除了或代替在壳体边缘处的开口之外，本发明的实施例可具有一个或多个这种开口200。而且，其它实施例可以使用这种开口200和其它类型的可压缩部件(如，图4中所描述的那些)。
图10A示出了壳体230的另一实施例的截面图，壳体230具有外层220、内层228、及安置于其间的多个速度灵敏可压缩部件50′(图8A)。各个速度灵敏可压缩部件50′的开口与内层228的表面内的开口(未示出)对准并穿过任一衬垫232，以使排出的或吸入的空气(箭头210)可以通过进入保护性安全帽的内部。类似地，这种开口136可以在可压缩部件50′的边上，允许空气通过壳体230的空隙区域释放及返回。图10B示出了壳体230，壳体230具有速度灵敏可压缩部件50′及内部衬垫232，在使用者头部234上。
图10C示出了壳体230的示例性的模拟操作，速度灵敏部件50′经受来自物体236的直接冲击。在这个例子中，壳体230操作以减小安全帽佩带者头部234的线性加速度。当物体236撞击外层时，部件50′直接在冲击压缩点处的外层之下。壳体230的压缩还造成空气穿过部件50′中的开口及内层中的开口而退出部件50′(箭头238)并进入安全帽内部。
图10D示出了壳体230的示例性的模拟操作，速度灵敏部件50′经受来自物体236的切向冲击。在这个例子中，壳体230操作以减小安全帽佩带者头部234的旋转加速度。当通过物体切向撞击时，外层相对于内层在物体的运动方向上切变，如箭头240所示。部件50′在冲击点处压缩至某一程度并与外层一起切变。如图10C的例子，压缩造成空气退出部件50′并进入安全帽内部。外层和部件50′的切变运动、部件50′的速度灵敏和能量吸收压缩、及进入安全帽内部的空气释放的组合效应，进行操作以减小到达佩带者头部104的旋转力。
如本发明的示例性使用的图示，图11A示出了具体实施本发明的保护性安全帽250的实施例的后视图。安全帽250包括带状部件50″(图9A)的样式254，其安置于壳体的外层和内层之间。图11B示出了具有带状部件50″的另一样式258的安全帽250。各种其它样式是可能的而不脱离本发明的原理。
图12示出了内壳层28的一个实施例，其中，衬垫是非连续的形式并设以巴克球形状。在这个结构中，内部衬垫层32散布有六边形和五边形形状的切口。
图13示出内了壳层28的另一个实施例，其中，衬垫是非连续的形式并设为网格形状。其中，正方形开口为主要样式。
图14示出了内壳层28的第三个实施例，其中，衬垫是非连续的形式，并设为具有三角形形状切口的短程线型网壳结构形状。以另一种方法描述，在这个结构中，热塑性塑料的排列形成在顶点处会集的三角形。
图15示出了内壳层28的第四种实施例，其中，衬垫是非连续的形式并设为蜂窝形状，其中，衬垫限定为六边形形状。本领域的那些技术人员可以理解，内部衬垫结构的其它例子包括所描述的样式的组合。
虽然本发明已示出并通过参考具体的优选实施例描述，本领域的那些技术人员可以理解，可以做出各种形式和细节的变化而不脱离由下面的权利要求限定的本发明的精神和范围。例如，多于一种类型的可压缩部件可以组合以构成保护性安全帽的壳体。

Claims (25)

1.一种冲击吸收保护性安全帽，包括：
内层(28′)；
外层(20′)，所述内层(28′)和所述外层(20′)具有相对的表面；以及
中层(24)，其包括多个可压缩部件(50)，每个可压缩部件包括带壁的腔室，所述壁具有至少一个开口(136)，以允许流体流入和流出所述腔室，所述中层(24)延伸于所述内层(28′)和所述外层(20′)之间，所述内层(28′)和所述外层(20′)至少部分地共同延伸，以使当所述外层(20′)受到冲击时，所述外层(20′)响应于所述冲击而局部偏转，从而吸收由所述冲击产生的至少一些能量，且所述中层(24)的所述可压缩部件(50)中的至少一个相对于所述内层(28′)压缩及切变，以吸收所述外层(20′)没有吸收的冲击能量。
2.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述中层(24)在至少一个位置上被锚接于所述内层(28′)和所述外层(20′)的所述相对表面。
3.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，还包括所述内层(28′)的向内安置的相对可压缩内部衬垫。
4.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述中层(24)具有大约百分之五十(50％)或更小的回弹弹性。
5.如权利要求4所述的保护性安全帽，其特征在于，所述中层(24)具有大约百分之二十五(25％)或更小的回弹弹性。
6.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述多个可压缩部件(50)安置于由所述外层(20′)和所述内层(28′)限制的容纳流体的空隙区域(52)内。
7.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，还包括至少一个通路，通过所述通路，流体能响应于所述冲击而离开所述中层(24)。
8.如权利要求7所述的保护性安全帽，其特征在于，所述至少一个通路包括所述外层(20′)和所述内层(28′)之间的间隙。
9.如权利要求7所述的保护性安全帽，其特征在于，所述至少一个通路包括所述内层(28′)中的至少一个开口。
10.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述可压缩部件(50)中的至少一个具有类似风箱的侧壁构造。
11.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述可压缩部件(50)的所述壁中的至少一个开口适于产生对施加在所述外层(20′)上的所述冲击力的速度灵敏响应，使得当所述冲击具有相对较低的能量时，所述可压缩部件(50)以相对较小的阻力压缩，并使得当所述冲击力具有相对较高的能量时，所述可压缩部件(50)以相对较高的阻力压缩。
12.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述中层(24)具有互连单元的蜂窝结构。
13.如权利要求12所述的保护性安全帽，其特征在于，所述蜂窝结构的中层(24)由热塑性弹性体(TPE)材料制成。
14.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述TPE材料具有低于大约华氏零下20度(-20°)的玻璃转变温度。
15.如权利要求13所述的保护性安全帽，其特征在于，当所述可压缩部件(50)响应于所述冲击力的减轻而弹性地膨胀时，所述可压缩部件(50)内的所述至少一个开口(136)允许流体被吸回所述内腔中。
16.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述内层(28′)包括与所述可压缩部件(50)中的所述至少一个开口(136)相连通的至少一个开口，以便当流体被压缩到流经所述内层(28′)时，允许流体从所述可压缩部件(50)离开。
17.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述外层(20′)包括与所述可压缩部件(50)中的所述至少一个开口相连通的至少一个开口，以便当流体被压缩到流经所述外层(20′)时，允许流体从所述可压缩部件(50)离开。
18.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，还包括所述内层(28′)的向内安置的相对可压缩内部衬垫层(32)，且其中所述内层(28′)和所述内部衬垫层(32)包括与所述可压缩部件(50)中的所述至少一个开口(136)相连通的至少一个开口，以便当流体被压缩到流经所述内层(28′)和所述内部衬垫层(32)时，允许流体从所述可压缩部件(50)离开。
19.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述可压缩部件(50)彼此相互独立。
20.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述可压缩部件(50)相互连接。
21.如权利要求1所述的保护性安全帽，其特征在于，所述内层(28′)在形状上是不连续的。
22.如权利要求21所述的保护性安全帽，其特征在于，所述内层(28′)具有类似巴克球的形状。
23.如权利要求21所述的保护性安全帽，其特征在于，所述内层(28′)具有类似网格的形状。
24.如权利要求21所述的保护性安全帽，其特征在于，所述内层(28′)具有类似短程线型网壳的形状。
25.如权利要求24所述的保护性安全帽，其特征在于，所述内层(28′)具有类似蜂窝的形状。
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