CN104869869B - 支撑垫和用于控制该支撑垫的表面温度的方法 - Google Patents

支撑垫和用于控制该支撑垫的表面温度的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种为在支撑垫上休息的用户提供个性化加热和冷却的支撑垫。该支撑垫包括身体支撑部分、多个热电元件和散热部分，该多个热电元件定位并且配置成为身体支撑部分选择性地提供加热或冷却，该散热部分由吸热材料构成并且可操作地连接到热电元件。还提供了控制支撑垫的表面温度的方法。

Description

支撑垫和用于控制该支撑垫的表面温度的方法
技术领域
本发明涉及支撑垫和用于控制该支撑垫的表面温度的方法。具体地，本发明涉及利用定位并且配置成选择地加热或冷却支撑垫的表面的热电元件的支撑垫，诸如床垫组件。
背景技术
成功并且宁静睡眠的方面是个人睡眠舒适。医疗研究表明，睡眠剥夺(“睡眠债”)可能对长寿、生产力和整体心智、情绪以及身体健康具有显著负面影响。慢性睡眠债已经与体重增长相关，并且更具体地，已经观察到不仅影响身体处理和存储碳水化合物的方式，而还已经观察到更改影响胃口的激素水平。而且，睡眠债可能导致易怒、急躁以致无法集中和忧郁，这已经导致一些研究者提出睡眠债和工地事故、交通事故以及一般下午分心之间的联系。此外，睡眠障碍已经与高血压、增加的应激激素水平和不规则心跳有关，并且另外的研究已经表明，缺乏睡眠可能影响免疫功能，导致对疾患和疾病(例如，癌症)增加的感染性。总而言之，研究现在已经表明，在由于这些各种效应导致的损失的生产力方面，美国每年花费630亿美元的睡眠债花费。因此，提高睡眠舒适并且降低个人睡眠债的支撑垫将是高度期望且有益的。
发明内容
本发明涉及支撑垫和用于控制支撑垫的表面温度的方法。具体地，本发明涉及利用定位并且配置成选择地加热或冷却支撑垫的表面的热电元件的支撑垫，诸如床垫组件。因此，本发明的支撑垫通过控制支撑垫的表面的温度而允许用户个性化他们的舒适度，包括睡眠舒适。
在本发明的一个示例性实施例中，以床垫组件的形式提供支撑垫，该支撑垫包括身体支撑部分，该身体支撑部分具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面。床垫组件进一步包括多个热电元件，该多个热电元件被定位并且配置成在身体支撑部分的第一表面处选择性地提供加热或冷却。床垫组件还包括散热部分，该散热部分由吸热材料构成并且为可操作地连接到热电元件。
床垫组件的身体支撑部分大致由柔性泡沫体构成以便将来自用户的身体或其一部分的压力分布跨过身体支撑部分。在一些实施例中，柔性泡沫体是具有期望的密度和硬度的粘弹性泡沫体，并且允许压力跨过床垫组件的支撑部分被均匀地吸收和均匀地分布。就这点而言，在某些实施例中，身体支撑部分可以进一步由舒适部分或层覆盖，该舒适部分或层被定位在身体支撑部分顶上以便为在床垫组件上休息的用户的身体或其一部分提供舒适度。在某些实施例中，这样的舒适支撑部也由粘弹性泡沫体或其它泡沫体组成，但是通常具有小于床垫组件的身体支撑部分的密度的密度以便提供休息的更软的表面，并且以便在用户的身体与床垫组件的热电元件之间提供充分软的隔离层，如下文进一步详细描述的。
相对于床垫组件的热电元件而言，热电元件定位在床垫组件中并且被配置成允许用户控制床垫组件的身体支撑部分的第一(或上)表面的温度。例如，在某些实施例中，热电元件由多个珀耳帖元件构成，一旦一定量的电流沿第一方向流经珀耳帖元件，就通过朝身体支撑部分的第二表面以及从第一表面吸走热量来冷却身体支撑部分的第一表面。类似地，在某些实施例中，一旦一定量的电流沿第二(例如，相反)方向流经珀耳帖元件，珀耳帖元件就通过朝身体支撑部分的第一表面以及从身体支撑部分的第二表面吸走热量来加热身体支撑部分的第一表面。
为了进一步利用珀耳帖元件的加热和冷却能力，在某些实施例中，珀耳帖元件被串联地布置，使得珀耳帖元件被接连地布置并且能够跨过身体支撑部分的整个表面或其期望的部分提供加热或冷却。在其它实施例中，珀耳帖元件被布置成阵列，使得一组珀耳帖元件可以被定位在身体支撑部分的期望的区域上并且被用来选择性地加热或冷却的身体支撑部分的将与用户的身体的易于过热的特定部分(例如，用户的身体或头部)相接触的区域。在一些实施例中，为了对身体支撑部分的第一表面的选择性加热和冷却提供更大量的控制，珀耳帖元件由离散珀耳帖元件构成，是独立可寻址的，或两者。
为了促进身体支撑部分的第一表面的加热和冷却，每个珀耳帖元件通常跨越床垫组件的身体支撑部分的宽度，使得每个珀耳帖元件的第一侧被定位在身体支撑部分的第一表面的上方或与该第一表面相邻，并且每个珀耳帖元件的相对侧被定位在身体支撑部分的第二表面的下方或与该第二表面相邻。在这些实施例中，身体支撑部分包括多个柱状空隙，每个柱状空隙包括将来自身体支撑表面的一个表面的热量传递至另一个表面的珀耳帖元件的一部分。因此，在某些实施例中，珀耳帖元件被定位成与身体支撑部分相邻并且直接将来自身体支撑部分的一个表面的热量通过身体支撑部分的内部传递至身体支撑部分的另一个表面。
除了被配置成选择性地加热或冷却身体支撑部分的第一表面之外，热电元件也可操作地连接到由吸热材料构成的床垫组件的散热部分。在一些实施例中，床垫组件的散热部分由弹性凝胶状材料构成，该弹性凝胶状材料包围与身体支撑部分的第二表面相邻或靠近该第二表面的珀耳帖元件的至少一部分。通过将珀耳帖元件可操作地连接到散热部分，除了珀耳帖元件的结构支撑之外，当身体支撑部分的第一表面被冷却时，散热部分提供热可以被驱散到其中的排热器(thermal dump)或散热器。可替代地，当身体支撑部分的第一表面被加热时，散热部分还能够通过将散热部分中任何收集的热传递至身体支撑部分的第一表面而被用作热源。
在本发明的一些实施例中，散热部分由大致均匀的弹性凝胶状材料层构成。在某些实施例中，这样的大致均匀弹性凝胶状材料层用来覆盖身体支撑部分的整个第二表面。在利用弹性凝胶状材料的其它实施例中，散热部分由多个三维的弹性凝胶状材料块构成。在这些实施例中，三维块可以与相邻的弹性凝胶状材料块隔开预定的距离，但是通常定位成与多个珀耳帖元件中的一个或多个相邻以因此为每个珀耳帖元件提供单独的散热器，与提供以被包括在床垫组件中的每一个珀耳帖元件相接触的弹性凝胶状材料的连续层的形式的散热器相反。
在本发明的进一步的实施例中，散热部分由不包括弹性凝胶状材料的吸热材料构成。在一个这样的实施例中，散热部分由类似大致均匀的弹性凝胶状材料层的流体层构成，当身体支撑部分的第一表面被冷却时，该散热部分能够充当散热器，并且当身体支撑部分的第一表面被加热时，该散热部分能够充当存储热量的来源。在其它实施例中，散热部分由柔性泡沫体构成，所述柔性泡沫体包括具有网状蜂窝状结构而且可操作地连接到珀耳帖元件的多个蜂窝，使得从身体支撑部分的第一表面传递的热量被传递至网状蜂窝状结构。一旦将热量传递至网状蜂窝状结构，通过输送一定量的空气通过散热部分的网状蜂窝状结构，热量就可以因此从散热部分传递出来。
在散热部分中利用网状蜂窝状结构的床垫组件的某些实施例中，空气至少部分地通过在散热部分中包括进口端和出口端通过散热部分被输送以因此提供空气能够流进和流出散热部分的路线。而且，在一些实施例中，通过包括覆盖散热部分的外表面的密封部(即，外皮)，热量可以被迫仅流经和流出散热层的某些部分。在这样的实施例中，密封部被用来有效地围困散热部分中的热，直至通过输送空气通过散热部分的网状蜂窝状结构将热移除为止，诸如通过利用放置到密封部中进口和出口，通过将风扇可操作地连接到散热部分以散热，或两者。
不考虑用于散热部分的材料，本发明的每个床垫组件进一步包括用于供应电流至多个热电元件的电源和用于控制被供应至多个热电元件的电流的控制器。通过在床垫组件中包括控制器，被供应至热电元件的电流量可以受到控制以为身体支撑部分的第一表面提供期望的加热或冷却量。例如，在某些实施例中，控制器被配置成自动地控制被供应至珀耳帖元件的电流，使得当身体支撑部分的第一表面到达特定温度时电流可以沿特定方向被供应至珀耳帖元件以加热或冷却身体支撑部分的第一表面。作为另一个示例，在一些实施例中，控制器被配置成在预定的时间段内，诸如在8小时睡眠周期内或在对应于在睡眠循环(例如，REM睡眠)的特定阶段用户通常花费的时间的时长内，允许电流被供应至珀耳帖元件。在另一个示例中，控制器可以从用户佩戴的传感器接收生物节律反馈并且相应地协调珀耳帖元件的操作。
为了在被包括在本发明的床垫组中的热电元件提供附加水平的控制，在某些实施例中，床垫组件进一步包括可操作地连接到床垫组件的身体支撑部分、散热部分或两者并且为控制器提供输入的一个或多个特征。在一些实施例中，这样的特征包括压力传感器，当用户躺在床垫上或以其它方式在床垫组件上施加压力量时，该压力传感器为控制器提供压力反馈并且允许控制器自动地开始加热或冷却床垫组件。在其它实施例中，温度传感器被包括在示例性床垫组件中并且为控制器提供温度反馈以允许控制器响应于接收的温度反馈以及维持期望的温度，选择性地加热或冷却身体支撑部分的第一表面。在某些实施例中，这样的所期望的温度或压力反馈设置在控制器本身处被直接输入或调节，或在其它实施例中，可以从也可操作地连接到控制器的遥控器传输至控制器以及允许用户将身体支撑部分的第一表面远程地调节至期望的温度。
为了进一步获取与将多个热电元件合并到床垫组件中相关联的一些益处，在一些实施例中，被合并到床垫组件中的热电元件定位并且配置成将身体支撑部分与散热部分之间的温度差转换成在充电端口处的电压。这样的实施例具有基本上与上文所描述的实施例相同的结构配置，用充电端口代替控制器、电源或两者。充电端口可操作地连接到热电元件，使得当在身体支撑部分与散热部分之间存在温度差时，在充电端口处产生电压，因此该充电端口可以被用于为电池(例如，诸如蜂窝电话、便携式音乐播放器、闹钟、便携式计算设备等的电子设备的电池)充电。
作为本发明的床垫组件的附加改进，在一些实施例中，提供了包括附加结构以进一步增加床垫组件的用户的舒适和方便的床垫组件。例如，如上文所描述的，本发明的床垫组件中的每一个大体包括至少两部分或两层，即，身体支撑部分或层以及散热部分或层。然而，在一些实施例中，将附加层合并到床垫组件中以提供增加水平的舒适，以为床垫组件提供附加支撑，或提供两者。比如，在某些实施例中，基部或层被包括在床垫组件中以为身体支撑部、散热部分或两者提供支撑。在一些实施例中，基部是可调节的以允许用户将床垫组件置于一个或多个期望的人机工程学位置。
进一步关于本发明的支撑垫，示例性支撑垫还能够用作控制支撑垫的表面温度的方法的一部分。在一些实施方案中，控制支撑垫的表面温度的方法包括提供具有身体支撑部分的支撑垫、由弹性凝胶状材料构成的散热部分、和定位在支撑垫中并且可操作地连接到身体支撑部分和散热部分的多个珀耳帖元件。然后电流被供应至多个珀耳帖元件，使得当电流沿第一方向被供应时，身体支撑部分的表面温度下降，或使得当电流沿第二方向被供应时，身体支撑部分的表面温度升高。通过将电流供应至多个珀耳帖元件所产生的任何热随后被驱散到散热部分中，凭借弹性凝胶状材料，该散热部分充当排热器或散热器并且允许身体支撑部分在不使用风扇或通常被用于将热从支撑垫驱散到周围空气中的其它类似的嘈杂装置的情况下被冷却。
对于本领域的普通技术人员而言，在研究该文献中的描述、图形和非限制性示例之后，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明制造的以床垫组件的形式的示例性支撑垫的透视图；
图2是沿着图1的线2-2截取的图1的示例性床垫组件的局部截面图；
图3是沿着图1的线3-3截取的图1的示例性床垫组件的另一个截面图；
图4是类似于图1的示例性床垫组件的透视图，但是床垫组件的一部分被移除以示出定位成与床垫组件的各层相邻的多个珀耳帖元件；
图5是根据本发明制造的以床垫组件的形式的另一个示例性支撑垫的透视图，其中床垫组件的一部分被移除以示出定位成与床垫组件的各层相邻的珀耳帖元件；
图6是根据本发明制造的以床垫组件的形式的又一个示例性支撑垫的截面图，并且示出具有可调节基层和定位在床垫组件中的一对风扇的床垫组件；
图7是根据本发明制造的以床垫组件的形式的示例性支撑垫的透视图，其中枕头的一部分被切掉以示出定位成与枕头的各层相邻的珀耳帖元件；
图8是沿着图7的线8-8截取图7中示出的示例性枕头的截面图；
图9是用于在椅子中使用并且根据本发明制造的示例性支撑垫的截面图，并且示出定位成与支撑垫的各个层相邻的多个珀耳帖元件；
图10是用于控制根据本发明制造的支撑垫的表面温度的示例性遥控器的透视图；
图11是根据本发明制造的以床垫组件的形式的又一个示例性支撑垫的截面图，并且示出定位成与包括具有网状蜂窝状结构的多个泡沫体单元的散热部分相邻的多个珀耳帖元件；
图12是图11的示例性床垫组件的透视图，但床垫组件的一部分被移除以示出定位成与散热部分相邻的多个珀耳帖元件；
图13是根据本发明制造的并且包括充电端口的以床垫组件的形式的进一步示例性支撑垫的截面图；以及
图14是图13的示例性床垫组件的电路的示意图。
具体实施方式
本发明涉及支撑垫和用于控制支撑垫的表面温度的方法。具体地，本发明涉及包括可操作地连接到由吸热材料构成的散热部分的多个热电元件的支撑垫，诸如床垫组件。本发明的支撑垫允许用户控制支撑垫的表面的温度而无需使用风扇或类似的装置来将由热电元件产生的被加热的或被冷却的空气驱散到周围空气中。因此，本发明的支撑垫允许用户通过控制支撑垫的表面的温度来个性化包括睡眠舒适的他们的舒适度，并且允许用户这样做以使得避免利用风扇或其它类似的装置的传统系统的噪音。
首先参照图1-4，在本发明的一个示例性实施例中，提供了以床垫组件10的形式的支撑垫，其包括：具有第一表面22和第二表面24的身体支撑部分20，该第一表面22大致为身体支撑部分20的上表面，该第二表面24大致为身体支撑部分20的下表面并且与第一表面22相对。床垫组件10进一步包括以珀耳帖元件30的形式的多个热电元件，该多个热电元件被定位在身体支撑部分20中并且被配置成在身体支撑部分20的第一表面22处选择性地提供加热或冷却。在床垫组件10中还包括散热部分40，该散热部分40由吸热材料构成并且可操作地连接到珀耳帖元件30。
床垫组件10的身体支撑部分20大致由柔性泡沫体的连续层构成以便将来自用户的身体或其一部分的压力适当地分布遍及身体支撑部分20。这样的柔性泡沫体包括但不限于乳胶泡沫体、网状或非网状粘弹性泡沫体(常常被称为记忆泡沫体或低弹性泡沫体)、网状或非网状非粘弹性泡沫体、聚氨酯高弹性泡沫体、膨胀聚合物泡沫体(例如，膨胀乙烯醋酸乙烯酯、聚丙烯、聚苯乙烯、或聚乙烯)等。在图1-4中所示的实施例中，身体支撑部分20由具有低弹性以及充分密度和硬度的粘弹性泡沫体构成，这允许压力被均匀吸收并且均匀分布遍及床垫组件10的身体支撑部分20。一般地，这样的粘弹性泡沫体具有至少约10N至不大于80N的硬度，如在近似室温(即，21℃至23℃)下通过抵靠材料的样品从板施加压力至材料的初始厚度的至少40％的压缩所测量的，其中，在通过国际标准化组织(ISO)2439硬度测量标准确定的设定时间段内40％的压缩被保持。在一些实施例中，粘弹性泡沫体具有约10N、约20N、约30N、约40N、约50N、约60N、约70N、或约80N的硬度以提供期望的舒适程度和身体符合质量。
本文所描述的在床垫组件10中使用的粘弹性泡沫体还能够具有辅助提供期望的程度舒适和身体符合质量的密度以及增加的材料耐久性程度。在一些实施例中，在身体支撑部分20中所使用的粘弹性泡沫体的密度具有不小于约20kg/m3至不大于约150kg/m3的密度。在一些实施例中，在床垫组件10的身体支撑部分20中所使用的粘弹性泡沫体的密度为约20kg/m3、约30kg/m3、约40kg/m3、约50kg/m3、约60kg/m3、约70kg/m3、约80kg/m3、约90kg/m3、约100kg/m3、约110kg/m3、约120kg/m3、约130kg/m3、约140kg/m3、或约150kg/m3。当然，具有特定密度的粘弹性泡沫体的选择将影响泡沫体的其它特性，包括其硬度、泡沫体对压力的响应方式和泡沫体的整体感觉，但是应理解，具有期望的密度和硬度的粘弹性泡沫体可以根据需要容易地被选择用于特定应用或床垫组件。另外，应理解，床垫组件的身体支撑部分根本不必由柔性泡沫体的连续层构成，而是在不脱离本文所描述的本主题的精神和范围的情况下，还能够采取更多传统床垫的形式，包括基于弹簧的床垫。
仍然参照图1，床垫组件10的身体支撑部分20进一步由舒适部分或层70覆盖，该舒适部分或层70被定位在身体支撑部分20上并且为在床垫组件10上休息的用户的身体或的其一部分提供舒适度。舒适层70还能够由粘弹性泡沫体构成。然而，舒适层70的密度、硬度、或两者通常小于床垫组件10的身体支撑部分20，使得舒适层70提供用户的身体或其一部分休息的更软表面，同时也在用户的身体与床垫组件10的珀耳帖元件30之间提供充分软的隔离层，如下文进一步详细描述的。例如，在某些实施例中，床垫组件10包括身体支撑部分20，该身体支撑部分20由具有约75kg/m3的密度和约13N的硬度的粘弹性泡沫体构成，而舒适层由具有约35kg/m3的密度和约10N的硬度的粘弹性泡沫体构成。
不考虑身体支撑部分20和舒适层70的具体密度，身体支撑部分20和舒适层70大致固定至彼此以防止身体支撑部分20和舒适层70在使用期间相对于彼此移动。就这点而言，可以使用将一层材料固定至另一层材料的各种装置，包括胶带、钩环紧固件、传统紧固件、缝线等。在一个具体实施例中，身体支撑部分20和舒适层70通过粘合剂或粘性结合材料结合在一起以构建大致连续组件，其中身体支撑部分20和舒适层70彼此完全附接。这样的粘合剂结合材料包括例如环境友好的水基粘合剂，像SABA AQUABOND RSD，一种由比利时的ABA DINXPERLO BV,B-7090AA,Dinxperlo生产的双组分水基粘合剂产品。
进一步考虑图1-4中所示的身体支撑部分20，身体支撑部分20大致具有不同于床垫组件10的散热部分40的构成的构成，如在下文进一步详细描述的，但是，另外预计，示例性身体支撑部分可以进一步由具有各种密度和硬度的一个或多个不同的或附加层构成。比如，可以预计，可以将一层高弹性聚氨酯泡沫体固定至在身体支撑部分中使用的一层低弹性粘弹性泡沫体的第二表面。例如在美国专利No.7,469,437；No.7,507,468；No.8,025,964；和No.8,034,445，以及在美国专利申请公开No.2011/0252562中描述了这样的多层身体支撑部分，这些美国专利中的每一篇通过该引用并入本文。
现在转向被包括在本发明的支撑垫中的热电元件，各种热电元件可以合并到支撑垫中以及用来加热或冷却示例性支撑垫的表面，包括将电能转换成热的电阻加热器以及其它热电元件。在图1-4中所示的示例性床垫组件10中，如上文所指出的，热电元件是珀耳贴元件30，其被定位在床垫组件10中并且被配置成允许用户控制床垫组件10的身体支撑部分20的第一表面22的温度，然后可以凭借使身体支撑部分20的第一表面22接近舒适层70来改变床垫组件10的舒适层70的温度。珀耳帖元件30，也可以被称为珀耳帖装置、珀耳帖加热器或热泵、固态冷凝装置或热电热泵，是固态活性热泵，其通过使一定量的电流流经珀耳帖元件30以产生珀耳帖效应将来自床垫组件10的身体支撑部分20的一侧的热传递至身体支撑部分20的另一侧，或换言之，在两种不同金属的电气连接部处存在热。
在图1-4中所示的珀耳帖元件30中，两种不同金属的连接部是以n型半导体或元件32和p型半导体或元件34的形式。在这些珀耳帖元件30中，当一定量的电流沿第一方向流经n型元件32时，横跨金属互连部33，并且流入到p型元件34中，产生珀耳帖效应，因而n型元件32中的电子沿电流的相反方向移动，而p型元件34中的空穴沿电流方向移动，使得朝身体支撑部分20的第二表面24移除来自床垫组件10的身体支撑部分20的第一表面22的热。类似地，利用珀耳帖元件30，一旦一定量的电流沿第二(例如，相反)方向流经珀耳帖元件30和n型元件32以及p型元件34，就会产生反向珀耳帖效应，并且珀耳帖元件30可以用来通过从身体支撑部分20的第二表面24朝身体支撑部分20的第一表面22吸走热量来加热身体支撑部分20的第一表面22。
如图2中所示，为了促进身体支撑部分20的第一表面22的加热和冷却，珀耳帖元件30大致跨越床垫组件10的身体支撑部分20的宽度，使得每个珀耳帖元件31的上部31被定位在身体支撑部分20的第一表面22的上方并且与该第一表面22相邻，并且珀耳帖元件30的金属互连部分33被定位在身体支撑部分20的第二表面24的下方并且与该第二表面24相邻。为了允许珀耳帖元件30经过身体支撑部分20，身体支撑部分20包括多个柱状空隙26，其中身体支撑部分20的部分已经被移除以允许包括将被定位在其中的n型元件32和p型元件34的珀耳帖元件30的一部分经过身体支撑部分20并且允许热从身体支撑部分20的一个表面被传递至另一个表面。换句话说，如图2最佳所示，珀耳帖元件30被定位成与身体支撑部分20相邻并且将热从身体支撑部分20的一个表面通过身体支撑部分20直接传递至身体支撑部分20的另一个表面。
现在参照图2-4，为了进一步利用珀耳帖元件30的加热和冷却能力，珀耳帖元件30串联地布置，其中珀耳帖元件30接连地被布置以跨过身体支撑部分20或其一部分的整个第一表面22提供大致均匀且连续的加热或冷却。就这点而言，如图3最佳所示，珀耳帖元件30进一步被布置成阵列35a、35b、35c、35d，使得珀耳帖元件30组定位在身体支撑部分20的某些区域上并且用来选择性地加热或冷却身体支撑部分20的区域。每个这样的区域将与用户的身体的易于过热或冷却的特定部位(例如，用户的躯干或头部相对于用户的腿)相接触。例如，如下文进一步详细描述的，在一些实施例中，珀耳帖元件30的阵列35a、35b、35c、35d是独立可寻址的，使得能够冷却将与位于仰卧或俯卧位置中的用户的躯干或头部相接触的阵列35a、35c，而加热将接近位于仰卧或俯卧位置的用户的腿的阵列35b、35d。当然，为了提供对第一表面22的选择性加热和冷却的更大量的控制，在阵列35a、35b、35c、35d中珀耳帖元件30的单独的行或列也能够是独立可寻址的，使得身体支撑部分20的第一表面22的更多特定部分可以选择性地被加热和冷却以允许用户的身体的特定部分加热或冷却，或仅允许最靠近接触用户的身体的珀耳帖元件30被选择性地加热或冷却(例如，当用户侧躺时)。同样地，虽然在图2-4中未示出，但是还应领会，在本发明的床垫组件中所使用的珀耳帖元件可以以相互不串联连接的离散珀耳帖元件的形式提供，从而对身体支撑部分的第一表面的加热和冷却提供甚至更大的控制量。
现在参照图1、图2和图4，除了被配置成选择性地加热或冷却身体支撑部分20的第一表面22之外，珀耳帖元件30也可操作地连接到床垫组件10的散热部分40。这样的散热部分40由吸热材料构成。更具体地，在图1、图2和图4中所示的实施例中，床垫组件10的散热部分40由固定至身体支撑部分20的整个第二表面24并且覆盖该整个第二表面24的大致均匀的弹性凝胶状材料层构成。散热部分40的弹性凝胶状材料还包围珀耳帖元件30的靠近身体支撑部分20的第二表面24的金属互连部33。就这点而言，通过将珀耳帖元件30可操作地连接到散热部分40，除了为珀耳帖元件30提供结构支撑之外，当身体支撑部分20的第一表面22被冷却时，散热部分40提供热量可以被驱散到其中的排热器或散热器。可替代地，当身体支撑部分20的第一表面22被加热时，散热部分40还能够通过将散热部分40中任意收集的热量从散热部分40传递至身体支撑部分20的第一表面22而被用作热源。因此，散热部分40至少部分地允许床垫组件10的身体支撑部分20的第一表面22被选择性地加热和冷却，无需风扇或其它类似的装置来将珀耳帖效应的热量副产物排放至周围大气，也无需独立的热源为身体支撑部分20的第一表面22供应热量。
作为改进，在本发明的利用弹性凝胶状材料作为排热器或散热器的另一实施例中，现在参照图5，提供了示例性床垫组件110，其包括舒适层170、具有第一表面122和第二表面124的身体支撑部分120、多个珀耳帖元件130、和包括弹性凝胶状材料的散热部分140。然而，不像图1-4中所示的床垫组件10，被包括在散热层140中的弹性凝胶状材料不是以大致连续层的形式，而是替而以三维弹性凝胶状材料块142的形式。弹性凝胶状材料块142中的每一个可以与相邻的块142隔开预定的距离，但是，大致定位成使得块142各自包围珀耳帖元件130的金属互连部133，从而为珀耳帖元件130提供个性化散热器。
具有各种其它构造或由在示例性身体支撑部分的第一表面被冷却时能够充当散热器的各种其它材料构成并且在身体支撑部分的第一表面被加热时也能够充当热源的散热部分，诸如流体层等，也可以被包括在根据本发明制造的床垫组件或其它支撑垫中。例如，作为对本发明的床垫组件的散热部分的另一项改进，现在参考图11和图12，提供了示例性床垫组件610，其包括舒适层670、具有第一表面622和第二表面624的身体支撑部分620、多个珀耳帖元件630和散热部分640，所述多个珀耳帖元件630中的每一个被定位在身体支撑部分620的柱状空隙626中。然而，不像图1-5中所示的散热部分40、140，散热部分640不由弹性凝胶状材料构成，而是由包括具有网状蜂窝状结构而且可操作地连接到珀耳帖元件630的多个单元的柔性泡沫体构成，使得来自身体支撑部分620的第一表面622的热可以被传递至散热部分640的网状蜂窝状结构中。
网状泡沫体(粘弹性或以其它方式)是蜂窝泡沫体结构，其中，泡沫体的单元本质上是像骨骼的。换言之，网状泡沫体的单元各自由多个被单元棱(cell strut)包围的孔径窗口限定，其中，网状泡沫体的单元窗口可以完全不存在(仅留下单元棱)或基本缺失。在一些实施例中，如果单元的窗口的至少50％缺失(即，窗口具有贯通其的孔径，或窗口完全缺失并且因此仅留下单元棱)，则泡沫体被认为“网状的”。这样的结构通过破坏或另外移除单元窗口材料，通过化学或机械装置，或通过在泡沫体的制造过程期间防止单元窗口的完整形成而构建。
不考虑用来产生网状泡沫体的制造过程，网状泡沫体凭借其网状蜂窝状结构具有很好地适合于在床垫组件610的散热部分640中使用的特性，包括允许流体移动通过网状泡沫体的增强的能力以及因此，在床垫组件610的身体支撑部分620和舒适层670内提供增强的空气和/或热运动、使增强的空气和/或热运动经过所述身体支撑部分620和舒适层670和远离所述身体支撑部分620和舒适层670的能力。就这点而言，通过包围散热部分640的网状泡沫体中的金属互连部633，由作为身体支撑部分620的第一表面622的冷却的一部分的珀耳帖元件630传递至散热层640的热被允许容易地驱散遍及散热部分640的网状泡沫体。一旦将热量传递到网状蜂窝状结构中，通过将一定量的空气输送通过散热部分640的网状蜂窝状结构，可以将热量容易地从散热部分640传递出来。
为了辅助输送空气通过床垫组件610的散热部分640，在一个示例性实施例中，并且仍然参照图11和图12，散热部分640包括进口端690和出口端692，所述进口端690和出口端692被包括在散热部分640中以提供空气能够通过其流经散热部分640的路径。而且，在床垫组件610中，在身体支撑部分620的第一表面622的冷却期间从珀耳帖元件630被转移到散热部分640中的热可以通过包含密封部645(即，外皮)被迫仅从散热层的某些部分流出，该密封部645覆盖散热部分640并且将热量有效地困在散热部分640中并且防止热流回到身体支撑部分620中。因此，通过包括密封部645，通过利用被切割成密封部645的进口端690和出口端692，或通过利用可操作地连接到出口端692的风扇680，或两者，可以仅通过输送空气通过散热部分640的网状蜂窝状结构来移除热。这样的密封部645可以通过利用浇注弹性泡沫体来构建，其中，泡沫体通过将其部件浇铸到模中并且允许它们凝固来生产。当然，在不脱离本主题的精神和范围的情况下，各种其它外皮或密封部，诸如由尼龙聚氨酯材料构成并且通常被用作床垫罩的密封部，还可以被用作散热部分640的密封部或外罩。
现在参照图1-6和11-12，不考虑用于散热部分40、140、640的材料，本发明的每个床垫组件10、110、610进一步包括用于供应电流至多个珀耳帖元件30、130、630的电源52、152、652以及用于控制被供应至多个珀耳帖元件30、130、630的电流的控制器50、150、650。通过在床垫组件10、110、610中包括控制器50、150、650，被供应至热电元件30、130、630的电流量可以被控制以为每个床垫组件10、110、610的第一表面22、122、622提供期望的加热或冷却量。例如，控制器50、150、650可以被配置成自动地控制被供应至珀耳帖元件30、130、630的电流，使得当身体支撑部分20、120、620的第一表面22、122、622到达具体温度时，诸如在用户已经躺在身体支撑部分20、120、620上持续延伸的时间段之后，电流可以被供应至珀耳帖元件30、130、630以加热或冷却每个身体支撑部分20、120、620的第一表面22、122、622。作为另一个示例，控制器50、150、650还可以被配置成允许电流被供应至珀耳帖元件持续预定的时间段，诸如持续8小时睡眠周期。
作为又一个示例，控制器50、150、650可以进一步被配置成以对应于用户的睡眠节律的方式将电流供应至珀耳帖元件30、130、630。比如，应理解，在REM(快速眼动)睡眠期间，用户一般失去控制他或她的身体的温度的至少一些它们的能力。因此，在某些实施例中，控制器50、150、650可以被配置成当用户将大致处于REM睡眠中时在夜间睡眠过程期间的某时开始冷却身体支撑部分20、120、620的第一表面22、122、622。可替代地，控制器50、150、650可以进一步可操作地连接到监测睡眠节律的装置，诸如，例如，由ZEO,Newton,MA制造的ZEO睡眠管理器TM，使得控制器50、150、650可以被配置成在接收躺在床垫组件10、110、610上的用户已经进入睡眠循环的具体阶段(例如，REM睡眠)的输入之后为珀耳帖元件30、130、630提供电流。
除了对被供应至珀耳帖元件30、130、630的电流量提供控制之外，床垫组件10、110、610的控制器50、150、650进一步允许被供应至珀耳帖元件30、130、630的电流的方向受到控制。就这点而言，控制器50、150、650可以被用来更改将被供应至珀耳帖元件30、130、630的电流的方向以选择性地加热或冷却床垫组件10、110、610的身体支撑部分20、120、620的第一表面22、122、622，但是可以进一步被配置成在冷却身体支撑部分20、120、620的第一表面22、122、622的延长期间之后从床垫组件10、110、610的散热部分40、140、640散热。例如，在冷却身体支撑部分20、120、620的第一表面22、122、622的隔夜期间之后，显著的热量将已经被传递至床垫组件10、110、610的散热部分40、140、640。因此，为了散量并且将它从散热部分40、140、640释放，被供应至珀耳帖元件30、130、630的电流的方向可以是反向的，并且散热部分40、140、640中的热可以从散热部分40、140、640传递至身体支撑部分20、120、620的第一表面22、122、622并且释放到周围大气中。
为了对被包括在本发明的床垫组件10、110、610中的珀耳帖元件30、130、630提供附加控制水平，床垫组件10、110、610可以进一步包括一个或多个特征，所述一个或多个特征可操作地连接到床垫组件10、110、610的身体支撑部分20、120、620，散热部分40、140、640，或两者，并且为控制器50、150、650提供输入。例如，现在参照图3，床垫组件10包括压力传感器54a、54b，一旦用户躺在床垫组件10上或以其它方式在床垫组件10上施加一定量的压力，所述压力传感器54a、54b就响应于用户靠在身体支撑部分20的第一表面22，为控制器50提供压力反馈，从而允许控制器50自动地开始提供电流并且加热或冷却床垫组件10。如图3还示出的，温度传感器56a、56b进一步被包括在床垫组件10中并且为控制器50提供温度反馈，从而允许控制器响应于接收的温度反馈，选择性地加热或冷却床垫组件10的第一表面，从而在身体支撑部分20的第一表面22处维持期望的温度。在某些实施例中，这样的期望的温度或压力反馈设置在控制器50本身处直接被输入或调节，或在其它实施例中，从包括温度控制按钮510也可操作地连接到控制器50的遥控器500被传输至控制器50，如图10所示。
作为使用根据本发明的热电元件的进一步的改进，在一些实施例中，支撑垫的热电元件不仅能够用于选择性地加热和冷却支撑垫，而且可以进一步被用来将热能转换成电能。现在参照图13和14，在另一个示例性实施例中，支撑垫710包括多个珀耳帖元件730，所述多个珀耳帖元件730被定位在身体支撑部分720中并且被配置成将身体支撑部分720与散热部分740之间的温度差转换成充电端口711处的电压。支撑垫710具有与如上文描述的实施例的身体支撑部分720、散热部分740、和珀耳帖元件730基本上相同的结构配置，并且应理解，上文实施例的基础结构配置的详细描述同样适应用于支撑垫710，其中类似的元件根据相应的标记习惯来识别(例如，20-720、22-722、24-724等)。然而，显著地，支撑垫710进一步包括可操作地连接到珀耳帖元件730的充电端口711，使得当在身体支撑部分720与散热部分740之间存在温度差时，来自身体支撑部分720的热能朝冷却器散热部分740驱使n型元件732中的电子，这产生电流，同时p型元件734中的空穴沿电流方向流动并且随后在充电端口711处产生电压。在充电端口711处的电压然后可以被用来对电池(例如，诸如蜂窝电话、便携式音乐播放器、闹钟、便携式计算设备等的电子设备的电池)充电。
现在更具体地参照图14，图14是示例性支撑垫710的电路的示意图，其中，在充电端口711的终端712、714处产生电压，并且电路产生塞贝克效应。塞贝克效应是当具有不同热性质的导体或半导体被连接时温度差异直接转换成由电荷载子扩散和声子曳引引起的电。当然，应理解，图14中所示的塞贝克效应，“施加热量”和“热-到-冷”定向指示器导致的所示的电流和电压能够容易反向。就这点而言，存储在本发明的支撑垫的散热部分中的热能，诸如继在身体支撑部分的第一表面处冷却的延长期间之后产生和存储的热能，能够被转换成电压并且随后被用来对电池充电。
作为本发明的床垫组件的又一个改进，床垫组件10、110进一步包括为身体支撑部分20、120和散热部分40、140提供支撑的基部或层60、160，如图1-5和图11-12所示。然而，在进一步的示例性实施例中，现在参照图6，提供了床垫组件210，其在基层260中包括附加特征以增加床垫组件210的用户的舒适和方便性。像图1-5和图11-12所示的床垫组件，床垫组件210包括舒适层270、具有第一表面222和第二表面224的身体支撑部分220、可操作地连接到控制器250和电源252的多个珀耳帖元件230、和散热层240。然而为身体支撑部分220和散热部分240提供支撑的基部或层260是可调节的以允许用户将床垫组件210置于一个或多个期望的人机工程学位置。另外，被包括在床垫组件210的基部260中的是两个风扇280a、280b，这两个风扇280a、280b可操作地连接到散热部分240并且能够辅助驱散作为珀耳帖效应的结果所产生的热，从而补充散热部分240的热捕捉性质并且对身体支撑部分220的第一表面222的选择性加热和冷却提供更大的控制。在一些实施例中，通过改变控制器250正上方的基层260或风扇280a、280b的设置，可以调节或利用基层260和风扇280a、280b，或可替代地，通过在图5所示的遥控器500上利用基层和风扇控制按钮520，可以调节或利用基层260和风扇280a、280b。
作为本发明的甚至进一步的改进，虽然图1-6和图11-14所示的支撑垫是以床垫组件10、110、210、610、710的形式并且在尺寸上大小适于支撑位于仰卧或俯卧位置中的用户，但是可以预计，本文所描述的特征同样适用于头部枕头、座椅垫、座椅靠背、颈部枕头、腿间隔枕头、床垫顶罩、覆盖物等。因此，本文中使用短语“身体支撑(body support)”或“身体支撑(body supporting)”来指任何和所有这样的具有任何尺寸和形状并且能够或一般用来支撑用户的身体或其一部分的对象。例如，如图7和图8所示，在本发明的附加示例性实施例中，提供了以波状颈部枕头310的形式的支撑垫，其包括舒适层370、头部和颈部支撑层320、可操作地连接到控制器350和电源352的多个珀耳帖元件330、和用以辅助对支撑层320和舒适层370的选择性加热和冷却的散热部分340。类似地，如图9所示，作为另一个示例，将根据本发明制造的支撑垫并入写字椅410的座位412和靠背414中。写字椅410的每个支撑垫包括舒适层470、身体支撑层420、可操作地连接到控制器450和电源452的多个珀耳帖元件430、和用于辅助对写字椅410的座位412和靠背414的选择性加热和冷却的散热部分440。
本文所描述的支撑垫中的每一个示例性还能够被用作控制支撑垫的表面温度的方法的一部分。在一些实施方案中，控制支撑垫的表面温度的方法包括首先提供本发明的支撑垫。然后电流被供应至多个珀耳帖元件，使得当电流沿第一方向被供应时，身体支撑部分的表面温度下降，但是当电流沿第二方向被供应时，身体支撑部分的表面温度升高。然后，通过将电流供应至多个珀耳帖元件所产生的任何热被驱散到散热部分中，该散热部分充当排热器或散热器以允许身体支撑部分在不使用风扇或用以将热从支撑垫驱散到周围空气中的其它类似的嘈杂装置的情况下被冷却。在一些实施例中，通过输送空气通过散热部分和/或通过激活可操作地连接到散热部分的一个或多个风扇以因此从散热部分散热来进一步从散热部分驱散热。在一些实施例中，支撑垫的表面温度由来自定位在支撑垫的身体支撑部分中的温度或压力传感器的第一接触反馈控制，然后基于从温度传感器、压力传感器或两者接收的反馈，使电流沿第一或第二方向供应至合并在支撑垫中的多个珀耳帖元件。
遍及该文献，提及了各种引用。所有这样的引用并入本文中。
本领域的普通技术人员之一将认识到在不脱离本发明的教义或接下来的权利要求的范围的情况下其它实施例也是可能的。给出本文公开的示例性实施例的这种详细描述特别是特殊细节主要是为了理解的清晰，不应理解为必要的限制，对于本领域的技术人员而言在阅读本公开之后修改将变得显而易见，并且可以在不脱离要求保护的发明的精神或范围内做出修改。

Claims (28)

1.一种支撑垫，包括：
身体支撑部分，所述身体支撑部分具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
多个热电元件，所述多个热电元件被定位并且配置成在所述身体支撑部分的第一表面处选择性地提供加热或冷却，所述多个热电元件包括被定位在所述身体支撑部分的第二表面的下方的金属互连部；和
散热部分，所述散热部分由弹性凝胶状吸热材料构成，所述弹性凝胶状吸热材料可操作地连接到所述热电元件并且被定位在所述身体支撑部分的第二表面的下方，其中，所述金属互连部延伸到所述弹性凝胶状吸热材料中，并且其中，被定位在所述身体支撑部分的第二表面的下方的所述金属互连部的所有表面与弹性凝胶状吸热材料全接触。
2.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述散热部分包括多个三维凝胶状弹性材料块，每个凝胶状弹性材料块与每个相邻的弹性凝胶状材料块隔开预定的距离，并且每个凝胶状弹性材料块定位成与所述多个热电元件中的一个或多个相邻。
3.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述散热部分包括大致均匀的弹性凝胶状材料层。
4.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述身体支撑部分由不同于所述散热部分的吸热材料的材料构成。
5.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述身体支撑部分由弹性泡沫体构成。
6.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述身体支撑部分由粘 弹性泡沫体构成。
7.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述身体支撑部分在尺寸上大小适于支撑处于仰卧或俯卧位置中的用户。
8.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述多个热电元件被定位成与所述身体支撑部分相邻。
9.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述热电元件是离散的珀耳帖元件。
10.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述多个热电元件是串联布置的多个珀耳帖元件。
11.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述热电元件被布置成阵列。
12.根据权利要求11所述的支撑垫，其中，所述阵列的热电元件的至少一部分是独立可寻址的。
13.根据权利要求1所述的支撑垫，其中，所述身体支撑部分包括多个柱状空隙，并且其中，每个柱状空隙包括一个热电元件的至少一部分。
14.根据权利要求1所述的支撑垫，进一步包括用于将电流供应至所述热电元件的电源，并且进一步包括用于控制电流从所述电源供应至所述热电元件的控制器。
15.根据权利要求14所述的支撑垫，其中，所述控制器被配置成自动地控制被供应至所述热电元件的电流。
16.根据权利要求14所述的支撑垫，其中，所述控制器被配置成在预定的时间段内允许电流被供应至所述热电元件。
17.根据权利要求14所述的支撑垫，进一步包括用于为所述控制器提供热反馈的温度传感器，所述温度传感器可操作地连接到所述身体支撑部分、所述散热部分或两者。
18.根据权利要求14所述的支撑垫，进一步包括用于为所述控制器提供压力反馈的压力传感器，所述压力传感器可操作地连接到所述身体支撑部分、所述散热部分或两者。
19.根据权利要求1所述的支撑垫，进一步包括一个或多个风扇，所述一个或多个风扇可操作地连接到所述散热部分用于从所述散热部分散热。
20.根据权利要求1所述的支撑垫，进一步包括定位成为所述支撑部分、所述散热部分或两者提供支撑的基部。
21.一种支撑垫，包括：
第一层，所述第一层具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
多个珀耳帖元件，所述多个珀耳帖元件定位并且配置成在所述第一层的第一表面处选择性地提供加热或冷却，所述多个珀耳帖元件包括被定位在所述第一层的第二表面的下方的金属互连部；和
由弹性凝胶状吸热材料构成的第二层，所述第二层被定位在所述第一层的下方，其中，所述金属互连部延伸到所述弹性凝胶状吸热材料中，并且其中，被定位在所述第一层的第二表面的下方的所述金属互连部的所有表面与弹性凝胶状吸热材料全接触，使得当所述珀耳帖元件为所述第一层提供冷却时，所述第二层的弹性凝胶状吸热材料吸 收由所述多个珀耳帖元件产生的热。
22.一种床垫组件，包括：
床垫，所述床垫具有上表面和与所述上表面相对的下表面；
多个珀耳帖元件，所述多个珀耳帖元件被定位并且配置成在所述上表面处选择性地提供加热或冷却，所述多个珀耳帖元件包括被定位在所述床垫的所述下表面的下方的金属互连部；和
弹性凝胶状吸热材料层，所述弹性凝胶状吸热材料层被定位在所述床垫的下表面的下方，其中，所述金属互连部延伸到所述弹性凝胶状吸热材料中，并且其中，被定位在所述床垫的所述下表面的下方的所述金属互连部的所有表面与弹性凝胶状吸热材料全接触，使得当所述珀耳帖元件为所述床垫的上表面提供冷却时，所述弹性凝胶状吸热材料层为由所述多个珀耳帖元件产生的热提供散热器。
23.根据权利要求22所述的床垫组件，其中，所述床垫由粘弹性泡沫体构成。
24.根据权利要求22所述的床垫组件，进一步包括定位在所述床垫顶上的舒适层，所述舒适层由粘弹性泡沫体构成。
25.根据权利要求24所述的床垫组件，其中，所述舒适层具有小于所述床垫的密度的密度。
26.根据权利要求22所述的床垫组件，其中，所述吸热材料层包括大致均匀的弹性凝胶状材料层。
27.根据权利要求22所述的床垫组件，进一步包括基层，所述基层被定位并且配置成为所述床垫、所述吸热材料层或两者提供支撑。
28.根据权利要求27所述的床垫组件，其中，所述基层是可调节 的。
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