CN1599569A - 用于带有弹性垫的鞋子的流体流动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于带有弹性垫的鞋子的流体流动系统。这种鞋子的鞋底中含有空腔，在该空腔中安装有弹簧，有一条与该空腔流体连通的流体通道。该流体通道使得流体，例如空气，在脚部受到冲击过程中该空腔的容积减小时逸出该空腔。

Description

用于带有弹性垫的鞋子的流体流动系统
                        技术领域
本发明涉及鞋类领域，尤其是涉及带有弹性垫的鞋。
                        背景技术
在大多数奔跑、行走以及跳跃动作中，由于脚部撞击而产生的的反作用力会对人体产生巨大的冲击。由于反复的脚部撞击而产生的应力会对一些关节和骨头施加巨大的压迫，并且会对下背和腿部的旋转关节造成伤害。
为了使得这种反复的脚部撞击对人体造成的伤害最小化以及为了提高运动员的成绩，鞋类工程师们设计出了各种带有弹性垫的鞋子。带有弹性垫的鞋子中的弹簧用来减小脚步撞击期间对人体造成的冲击，并且还使得该冲击能恢复而返还给鞋的使用者。在Krafsur等人的美国专利US6,282,814中描述了一种带有弹性垫的鞋子，该专利的内容将以引用方式包含在本申请中。在Lombardino的美国专利US5,743,028以及Diaz的美国专利US4,815,221中还描述了两个其它类型的带弹性垫的鞋子。Lombardino的‘028专利披露了一些垂直压缩弹簧，这些弹簧位于跑鞋的鞋跟部位之内。‘028专利中的弹簧安装在一个充装有一种高压气体的气密密封单元内，该高压气体与这些弹簧一起形成一种减震和能量回收系统。Diaz的‘221专利披露了一种能量控制系统，该能量控制系统位于鞋底中的一空腔内。该能量控制系统包括弹簧板，该弹簧板上具有一些分布在该弹簧板的表面上用于助推和减震弹性突起。
                       发明概要
在上述专利所述的那些带有弹性垫的鞋子中，那些弹簧都是密封在鞋底中形成的一些空腔中。当这些弹簧密封在一空腔中时，该空腔中的空气就形成该弹性系统(spring system)的一个一体化部分。在脚步撞击过程中，密封在该空腔中的空气按照理想气体定律产生反作用，即PV＝nRT，该方程表示，在一基本恒定的温度下，当该空腔受到压缩时，该空腔内的空气的压力与其体积成反比变化。因此，在脚步撞击过程中，当该空腔的提起减小时，该空气产生一回复力。在对脚部撞击作出响应时，该空气产生的回复力回干涉该弹簧产生的可预测的回复力。
因此，尽管由于空气提供了缓冲和回复力而使得困在鞋底中的空气看起来比较好，但是在带有弹性垫的鞋子中，空气回干涉该弹簧的可预测的操作。
因此，本发明的目的就是提供一种流体流动系统作为一种带有弹性垫的鞋底组件的一部分，该流体流动系统将会减少容纳有一个或多个弹簧的该空腔中的流体的产生的象弹簧一样的反作用力。
本发明的第二个目的是为了提供一种带有弹性垫的鞋底组件，该鞋底组件借助于弹力而使得在脚的跟部或脚掌区域(ball area)的初始压缩循环过程中储存在弹簧中的大部分能量得以恢复。
在一种方案中，本发明使得一种鞋子所具有的特征包括，鞋底具有空腔，弹簧置于所述空腔中，以及一条与所述空腔流体连通的流体通道。该流体通道的结构做成在所述空腔的容积减小时使得流体从所述空腔中排出。
本发明的该方案的实施例可以包括一个或多个下述特征。所述空腔可以位于鞋底的鞋跟区域，且所述弹簧可以安装在所述空腔中，位于在一对垂直相对板之间，这对垂直相对的板位于所述空腔的上端和下端。
该鞋底可以具有第二空腔，例如在脚掌区域(ball region)，该第二空腔内可以含有一个弹簧或者没有弹簧，且该第二空腔通过所述流体通道与第一空腔相连。这两个空腔以及流体通道可以与该鞋子的外部气密密封，并将象周围空气一样的流体封存在所述空腔中。所封存的空气以大气压力密封，或者其压力低于大气压力。
所述流体通道还包括一条将所述空腔与鞋子的外部连接起来的槽，所述槽在所述空腔的体积减小时使得流体排出到所述鞋子的外部。
所述鞋底可以包括一内部鞋底、一中间鞋底以及一外部鞋底，其中中间鞋底上形成有所述空腔。所述中间鞋底可以完全采用一种可压缩的泡沫聚合体材料制成，或者采用例如一种泡沫聚合体材料和一种柔性塑料制成，其中，所述柔性塑料构成至少一部分所述空腔的壁面。所述弹簧例如可以是一种脊对脊(crest-to-crest)的多匝波形弹簧。
在另一中方案中，本发明提供了一种鞋底组件，该鞋底组件包括一种构成一空腔的可压缩材料，一个位于所述空腔中的弹簧，以及一条与所述空腔相连的流体通道。所述通道的结构做成能够在所述空腔受到压缩时而从所述空腔中排出流体。
在另一方案中，本发明提供了一种制造一种带有弹性垫的鞋底组件的方法。该方法包括：(a)采用一种可压缩的材料制成至少部分所述鞋底组件，其中所述部分形成一空腔；(b)将一弹簧置于所述空腔中；以及(c)形成一条与所述空腔流体连通的流体通道，所述通道在所述空腔受到压缩时使得流体从所述空腔中逸出。
如在此所使用的术语一样，“流体”指的是一种能够流动的物质，例如气体或液体。周围空气就是一种流体。
“弹簧”是一种弹性机械装置，该装置能够在其变形之后并被释放时恢复到其原始形状。“压缩弹簧”是一种通过加压而被施加负载(即变形)后的弹簧。压缩弹簧的类型例如包括：波形弹簧，例如叠垒状波形弹簧(nestedwave springs)，交织波形弹簧(interlaced wave springs)，以及脊对脊波形弹簧(crest-to-crest wave springs)(可以带有或也可不带有垫片末端)；盘簧；贝氏簧(Belleville springs)；混合贝氏簧(compound Bellevillesprings)；蜷簧(spiral springs)；以及螺旋弹簧(helical springs)。
“多匝弹簧”是一种具有多匝的弹簧，其中一匝就是弹簧的一“圈”。
在下面的附图和说明中给出了本发明及格实施例的详细说明。从这些描述以及附图以及权利要求书中可以清楚本发明的其它特征、目的以及优点。
                       附图简要说明
图1所示的是本发明的带有弹性垫的鞋子的横剖面侧视图；
图2所示的是用于图1中的带有弹性垫的鞋子的一种可选择鞋底组件的横剖面侧视图；以及
图3所示的是用于图1中的带有弹性垫的鞋子的另一种可选择鞋底组件的横剖面侧视图。
                     详细说明
下面将借助于实施例对本发明的几个实施例进行说明。
第一实施例
图1所示的是一种带有弹性垫的鞋子2，该鞋子包括鞋的上部4和流体转换鞋底组件6(“FSSA6”)。该FSSA6包括外部鞋底8、中间鞋底10以及内部鞋底12。中间鞋底8具有上表面16和下表面14。下表面14采用胶体粘接在外部鞋底8上，且上表面16采用胶体粘接在内部鞋底12上。内部鞋底12具有用于鞋的上部4的接触表面18。
该FSSA6形成有空腔20和22，所述空腔分别位于FSSA6的脚部区域的跟部和脚掌部分中。所述空腔20和22封闭在所述中间鞋底10中。在该中间鞋底10中还封闭有流体流动通道24，该通道将所述空腔20和22连接起来。该通道24略微有点弯曲，以便与FSSA6的轮廓相吻合。
压缩弹簧26和28分别安装在所述空腔20和22中。弹簧26位于两个采用聚合物制成的垂直相对的板30和32之间构成空腔20的垂直延伸部分。板30和32上具有一些突起元件(在图1中未示出)，这些突起向空腔20的垂直中线延伸，并限制压缩弹簧26的总的压缩量。板30和32形成了支承表面，该支承表面将脚部的负载传递给压缩弹簧26并且还防止该弹簧在负载作用下完全压垮。所述板30和32的结构以及限制压缩量的突起元件在美国专利US6,282,814中进行了披露和描述。弹簧26和所述板30和32可以作为一种组装单元插进所述空腔20中。
类似地，弹簧28位于两个采用聚合物制成的垂直相对的板34和36之间构成空腔22的垂直延伸部分。板34和36形成了支承表面以便将脚部的负载传递给压缩弹簧28，并且和所述板30和32一样还具有压缩量限制件，该限制件能防止弹簧28在负载作用下完全压垮。弹簧28和所述板34和36可以作为一种组装单元插进所述空腔22中。
一种标记为38的流体装在空腔20和22以及通道24中。在FSSA6中该流体是周围的空气。也可以采用其它类型的流体，例如混合或纯净的气体，或者液体。空腔20的高度为H1，即0.75英寸，而空腔22的高度为H2，即大约0.5英寸。空腔20的沿高度H1的横截面积大约为8平方英寸，而空腔22沿高度H2横截面积大约为12英寸。空腔20的容积约为6立方英寸，而空腔22的容积大约也为6立方英寸。
通道24的横断面大致呈矩形，其宽度大约为1.75英寸，高度H3大约为0.5英寸。通道24沿高度H3的横断面积大约为0.85平方英寸，而通道24的长度大约为4英寸。通道24的容积大约为3.4立方英寸。还可以使得通道24的容积为每个空腔的容积的一半(即3立方英寸)或者比每个空腔的容积的一半还小(即2.5立方英寸)。
FSSA6的空腔20和22以及通道24与外部环境气密密封，并且压力为大气压，以防止这些空腔和该鞋子的外部进行空气交换，并且限制湿气和微小微粒进入所述空腔的量。这种密封是通过将内部鞋底12采用胶体粘接到第二表面16上来实现的。
为了使得足部冲击过程中流体流动的阻力最小化，空腔20的容积基本上要显著小于空腔22和通道24的容积之和。类似地，空腔22的容积基本上要显著小于空腔20和通道24的容积之和
除了该中间鞋底的较小的后部40之外，中间鞋底10完全由一种可压缩的泡沫聚合材料构成。构成空腔20的后壁的后部40是采用一种通明的挠性塑料构成的。后部40起到了一种挠性窗口的作用，使用者可以通过该窗口看到该空腔20中的弹簧。或者，整个中间鞋底10可由一种可压缩的泡沫塑料聚合材料制成，从而可以省掉该窗口。
此外，除了紧靠近后部40的地方之外的中间鞋底的的大部分可以才哟国内一种挠性的透明塑料制成。例如，挠性塑料可以构成空腔20和22的侧壁。如果，两个空腔的侧壁采用挠性塑料制成，或者至少部分由挠性塑料制成，而不是采用聚合泡沫制成，那么，该聚合体泡沫可以是刚性的而不是可压缩的。如果两个空腔的侧壁采用挠性塑料制成的话，即使形成该中间鞋底的其余部分的材料都是刚性的，因为所述空腔的容积也是可以压缩和缩小的，所以采用刚性材料也是可能的。
内部鞋底12是一种无纺材料，而外部鞋底8采用乙基·乙烯基醋酸纤维(ethyl vinyl acetate)制成.也可以在中间鞋底10、内部鞋底12以及外部鞋底8中采用多种其它的材料。鞋子的上部4可以是织物、皮革或其它任何合适鞋类材料的组合。
压缩弹簧26和28是多圈脊对脊(crest-to-crest)波形弹簧，该弹簧没有垫片末端并且采用扁平钢丝制成。
现在对FSSA6在足部冲击过程中的工作情况进行说明。在大多数奔跑、行走以及跳跃情况下，足部都会伴随有一套预定的动作。首先跟部会撞击地面，随后重量会以一种滚动方式向前转移到脚掌，且脚趾区域与地面进行最后的接触。当含有FSSA6的鞋跟撞击一种基本上刚性的表面时，FSSA6的跟部区域和空腔20被压缩，因此空腔20的高度降低大约0.5英寸。所述压缩会减小空腔20的容积并向弹簧26施加负载。空腔20的容积的减小使得流体38产生一种基本上是瞬间的运动，以最小的流动阻力从空腔20流进通道24并流进空腔22中。流体38从空腔20中喷射一样的排出防止了流体38对弹簧26的可预见的操作产生妨碍，并使得弹簧26提供基本上所有的弹力。
当脚向前滚向脚掌区域(ball region)时，空腔20恢复到起静止状态的容积。一旦足部的重量位于脚掌区域(ball region)之上，FSSA6的该脚掌区域(ball region)以及空腔22就受到压缩，并向弹簧28施加负载并使得空腔22的体积减小。空腔22的容积的减小使得流体38产生一种基本上是瞬间的运动，以最小的流动阻力从空腔20流进通道24并流进空腔20中。与在跟部处产生撞击时的情况一样，流体从空腔22中喷射一样的排出防止了流体38对弹簧28的可预见的操作产生妨碍，并使得弹簧28能为脚掌提供所有的弹力。当中力从脚掌处抬起来后，空腔22的容积会恢复到正常状态，切流体回流回到空腔20中。流体38在空腔20和22之间通过通道24这种运动在反复进行的足部冲击过程中循环反复进行。
FFSA6的流体流动系统改善了带有弹簧垫的鞋子的可预见性和性能。根据理想气体定律，如果没有通道使得空气从受压缩的的空腔象喷射一样排逸到周围环境中，那么空腔中的弹簧和空腔中的空气就回一起产生大于弹簧单独所产生的弹力的有效弹力。空气的弹性作用在可预测性和可控性方面都低于弹簧自身所产生的回复力，并因此削弱了鞋子的性能。在FSSA6，流体38通过通道24在空腔20和22之间的运动基本上抵消了空气的折中弹性作用。
第二实施例
参见图2，流体转换鞋底组件106(“FSSA106”)包括外部鞋底108、中间鞋底110以及内部鞋底112。中间鞋底110具有分别位于中间鞋底110的底部和顶部上的下表面114和上表面116。下表面114采用胶体粘接在外部鞋底108上，且上表面116采用胶体粘接在内部鞋底112上。内部鞋底112具有用于采用胶体粘接到鞋的上部4(如图1所示)的接触表面118。
中间鞋底110形成有空腔120和123，所述空腔分别位于中间鞋底110的跟部和脚掌区域中。和在第一实施例中一样，所述跟部空腔120包括分别位于空腔120的底部和顶部聚合体结构板130和132以及安装在所述板130和132之间的波形弹簧，所述脚掌区域空腔123没有板和弹簧。空腔123用来接受在空腔20在跟部冲击作用下受到压缩而容积减小时从空腔20中排出的流体。
通道124将空腔120和123连接起来，切在空腔120和123以及通道124中容纳有流体128。和在第一实施例中一样，第二实施例中的中间鞋底被气密密封起来，以防止流体138从空腔和通道124中泄露出来，并防止鞋子外面的空气进入空腔或通道中。流体138例如可以是处于大气压力下的环境空气。
当穿有含有FSSA106的鞋的人奔跑、行走或跳跃时，流体138会通过通道124在空腔120和123之间以针对第一实施例所描述的方式来回流动
由于空腔123中没有弹簧，空腔123容积可以比第一实施例中的空腔22小一些。此外，空腔123的形状可以比空腔22的形状有更多的变化，而空腔22就必须做成能够容纳弹簧。在图2中，所示的空腔123具有通常的卵形断面。不过空腔123可以具有必要的任何形状，例如包括具有凸凹或波浪形状上下表面的不规则形状。
第三实施例
参见图3，流体转换鞋底组件206(“FSSA206”)包括外部鞋底208、中间鞋底210以及内部鞋底212。中间鞋底210具有采用胶体粘接在内部鞋底212上的上表面216和粘接在外部鞋底208上的下表面214。
和第一和第二实施例一样，FSSA206的中间鞋底210在鞋跟区域形成有空腔220。波形弹簧226在该空腔之内位于上下聚合体结构板230和232之间。不过，FSSA206没有脚掌区域空腔。而是将鞋跟区域空腔220通过开口242与鞋子的外部相连。在图3中，开口242沿中间鞋底210的侧面布置。开口242也可以为其它地方，不过，只要其能与鞋子的外不相连通。通道224和空腔220的尺寸和通道24和空腔20的尺寸相近似。
在使用过程中，当使用者的鞋跟撞击地面切空腔220被压缩时，空腔220中的一些环境空气通过通道224和开口以喷射方式从空腔220中排出。当使用者的重量从鞋跟上释放且空腔220恢复到正常容积，空气通过开口242和通道224返回到空腔220中，直到空腔220中的压力恢复到大气压力为止。
其它实施例
也可以采用其它实施例。例如，可以采用其它类型的压缩弹簧而不是脊对脊(crest-to-crest)的波形弹簧，例如双重波形弹簧(多匝或单匝)、交织波形弹簧(interlaced wave springs)、或盘黄。弹簧的弹力可以通过弯曲或扭转动力运动来实现，且弹簧的断面可以是圆形或非圆形。此外，可以在一个空腔中放置一个以上的弹簧。该弹簧可以是如上所述的金属，或者可以采用任何聚合物、复合材料或其它非金属材料制成。
弹簧可以以多种不同的方式进行安装。可以采用如上所述的具有压缩量限制突起的结构板。此外所述弹簧可以采用U形夹或美国专利US6282814中所述的板安装在所述空腔中。或者，所述空腔可以加工成不需要板和采用美国专利US6282814中所述的无用的容积就能够容纳所述弹簧。也可以采用其它方式来安装弹簧。
该鞋底可以具有附加的空腔。例如鞋底在鞋跟区域可以有多个空腔，每个空腔都有一个压缩弹簧(或者有些有弹簧而有些空腔则没有弹簧)。不同的空腔都通过一系列管道和通道相互连通。在脚掌区域(ball area)也可以有多个空腔。
在具有一个鞋跟空腔和一个脚掌区域空腔的实施例中，将这两个空腔连通起来的通道为一个以上。类似地，在具有将一空腔与外部相连的实施例中，可以包括多个通道和多个出口。此外，第一和第三实施例的构思可以结合起来。例如，在第一实施例中，可以包括附加的通道来将空腔20和22和鞋子的外部连通起来。
该鞋不必包括独立的内部鞋底、外部鞋底以及中间鞋底。例如，该鞋底可以由一层或两层构成而不是由三层构成。空腔可以位于所属鞋底组件的任何部分。
在空腔与外部环境气密密封的实施例中，例如第一和第二实施例，所述空腔可以密封有空气，空腔内的空气的压力低于大气压力。为了将空气的压力密封到低于大气压力，可以在空腔被密封之前将一些空气从所述空腔中去掉。例如，空腔(以及其内的弹簧)可以置于负载之下，压缩空腔和弹簧，并将空气挤出空腔。尽管空腔和弹簧承受有负载，但是内部鞋底和中间鞋底被密封起来，从而密封住所述空腔。随后释放该负载，并且弹簧回复，使得空腔的容积膨胀，从而使得其内的空气低于大气压力。由于空腔的空气较少(并因此空气压力较低)，因此空气的弹性作用进一步减小。该压力可以减小到压缩弹簧在困在空腔中的空气显示出一种不太显著的弹性作用之前将会不得不被压缩到适当地超过其设计极限的程度。例如，空腔中的压力可以减小到2磅英寸(psig)(即低于大气压的2磅英寸)。在密封一个以上的空腔时可以采用相同的步骤。
在密封空腔中可以采用除了环境空气之外的流体。所述空腔可以密封纯净的气体，例如在其中密封氮气或氦气，或者甚至密封液体。
上面已经描述了一些实施例。不过需要明白的是，在不脱离本发明的范围和构思的情况下可以作出各种改变。因此其它实施例也落在下述权利要求书的范围之内。

Claims (22)

1.一种鞋子，包括：
鞋底，该鞋底具有空腔；
置于所述空腔中的弹簧；以及
一条与所述空腔流体连通的流体通道，该流体通道的结构做成在所述空腔的容积减小时使得流体从所述空腔中排出。
2.如权利要求1所述的鞋子，其中，所述空腔可以位于鞋底的鞋跟区域之内。
3.如权利要求2所述的鞋子，其还包括一对垂直相对板，所述垂直相对的板位于所述空腔的上端和下端，其中，所述弹簧可以安装在所述空腔中位于所述垂直相对板之间。
4.如权利要求1所述的鞋子，其中，所述鞋底还有第二空腔，所述流体通道将所述的两个空腔连接起来。
5.如权利要求4所述的鞋子，其还包括位于所述第二空腔中的第二弹簧。
6.如权利要求5所述的鞋子，其中，第一空腔位于鞋底的鞋跟区域之内，而第二空腔位于鞋底的脚掌区域之内。
7.如权利要求6述的鞋子，其中，所述弹簧和所述第二弹簧都是是一种脊对脊(crest-to-crest)的多匝波形弹簧。
8.如权利要求4述的鞋子，其中，第一空腔和第二空腔以及流体通道与该鞋子的外部气密密封。
9.如权利要求8述的鞋子，其中，所述气密密封空腔和通道中含有处于大气压下的环境空气。
10.如权利要求8述的鞋子，其中，所述气密密封空腔和通道中的气体的压力低于大气压。
11.如权利要求1述的鞋子，其中，所述弹簧是多匝波形弹簧。
12.如权利要求1述的鞋子，其中，所述鞋底包括一内部鞋底、一中间鞋底以及一外部鞋底，其中中间鞋底上形成有所述空腔。
13.如权利要求12述的鞋子，其中，所述中间鞋底可以完全采用一种可压缩的泡沫聚合体材料制成。
14.如权利要求12述的鞋子，其中，所述中间鞋底包括一种泡沫聚合体材料和一种柔性塑料，所述柔性塑料构成至少一部分所述空腔的壁面。
15.如权利要求1述的鞋子，其中，所述流体通道包括一条将所述空腔与鞋子外部连通起来的槽，从而在所述空腔的容积减小时使得流体排出到鞋子的外部。
16.一种鞋子，包括：
鞋底，所述鞋底包括一内部鞋底、一中间鞋底以及一外部鞋底，其中中间鞋底上形成有位于中间鞋底的鞋跟区域之内的第一空腔和位于中间鞋底的脚掌区域之内的第二空腔；
位于第一空腔之内的第一弹簧和位于第二空腔之内的第二弹簧；以及
将第一空腔和第二空腔连接起来的流体通道，所述流体通道使得流体在第一和第二空腔之间运动。
17.如权利要求16述的鞋子，其中，第一和第二弹簧是多匝波形弹簧。
18.一种鞋底组件，该鞋底组件包括：
一种可压缩材料，限定有一空腔；
位于所述空腔中的弹簧；以及
一条与所述空腔相连的流体通道，所述通道的结构做成能够在所述空腔受到压缩时使得流体从所述空腔中排出。
19.一种鞋底组件，该鞋底组件包括：
一鞋底部件，限定有一空腔；
位于所述空腔中的弹簧；以及
在所述空腔受到压缩时使得流体从所述空腔中排出的装置。
20.如权利要求19所述的鞋底组件，其还包括在所述空腔受到压缩时用于接受所排出流体的装置。
21.一种制造一种带有弹性垫的鞋底组件的方法。该方法包括：
所述鞋底组件至少部分采用一种可压缩的材料制成，其中所述部分形成一空腔；
将一弹簧置于所述空腔中；以及
形成一条与所述空腔流体连通的流体通道，所述通道在所述空腔受到压缩时使得流体从所述空腔中逸出。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述部分还限定有第二空腔，所述流体通道将所述两个空腔连通起来，且该方法还包括将所述部分气密密封起来以便将流体困在所述两个空腔和流体通道中。
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