CN112040812B - 由泡沫和弹簧制成的成型体及其用途 - Google Patents

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Abstract

描述了一种包括至少一个弹簧(20)和至少一个泡沫部段(30)的成型体(10)。泡沫部段(30)的最上部部段(34)附接到至少一个弹簧(20)的最上部部段(24)，并且泡沫部段(30)的最下部部段(36)附接到至少一个弹簧(20)的最下部部段(26)。成型体(10)可以是粘弹性泡沫，并且可以包括布置成与泡沫部段(30)热接触的温度调节装置和用于温度调节装置的控制装置，该温度调节装置适于通过改变温度来调节泡沫部段(30)的硬度。成型体(10)在一种应用中用作促进睡眠的床或床垫，或者用作垫子。

Description

由泡沫和弹簧制成的成型体及其用途
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年4月27日提交的卢森堡专利申请No.LU 100788“A shaped bodymade from a foam and springs as well as uses thereof”的权益和优先权。
技术领域
本发明涉及包括弹簧和泡沫的成型体及其用途。
背景技术
床垫(诸如由聚氨酯泡沫、乳胶泡沫等形成的床垫，具有或不具有螺旋弹簧)在本领域中是公知的。与床垫组件相关联的持续存在的问题之一是使用者的舒适性。为了解决使用者舒适性的问题，这些床垫通常由多个泡沫层制成，这些泡沫层具有不同的诸如密度和硬度等的特性，以满足预期使用者的需求。最近，制造商采用了所谓的记忆泡沫，通常也称为粘弹性泡沫。这些泡沫通常是具有闭孔和开孔的结构，但在某些情况下可以是网状泡沫结构。当在床垫中使用时，当使用者将压力施加到泡沫上时，记忆泡沫适形于使用者的形状，从而最小化来自使用者的身体的压力点。然后，当使用者和记忆泡沫上的相关联的压力被移除时，记忆泡沫恢复到其原始形状。然而，由于这些类型的泡沫的粘弹性多孔结构，恢复到记忆泡沫的原始形状是一个相对缓慢的过程。
众所周知，聚氨酯是由多元醇(具有多个基团的有机化合物)与二异氰酸酯或多异氰酸酯反应形成的。二异氰酸酯的示例是TDI或甲苯二异氰酸酯。多异氰酸酯的示例是MDI或异氰酸甲苯二甲酯。由MDI与多元醇形成的聚氨酯形式可以具有前述粘弹特性。
美国专利申请No.2014/165292(Gladney，转让给Dreamwell Ltd)中公开了现有技术床垫的一个示例，该专利申请教导了一种床垫，该床垫包括至少一个螺旋弹簧层和粘弹性泡沫的下层支撑层，其中螺旋弹簧层与粘弹性泡沫直接接触。从美国专利US 8,499,389中已知现有技术座椅底座或床支撑件的另一个示例。
从现有技术可知，弹簧和泡沫可以串联方式连接。例如，美国专利US 7,917,980(Kluft)教导了一种围绕具有多个弹簧的内装弹簧单元的泡沫套。据说该美国专利中所示的床垫构造通过结合泡沫和弹簧的特性来提高舒适度。这种将彼此上下放置的弹簧和泡沫的特性结合在一起的构造被使用者感觉到。该构造的最上部部分主要由泡沫制成，并且是使用者感觉到的主要接触材料，并且在使用者的载荷下首先作出反应。第二种材料在下面(主要是弹簧)，并且只有当泡沫将由于身体重量产生的使用者的载荷进一步向下转移时，第二种材料才会作出反应。这意味着泡沫已经被部分压缩。在这种构造中的泡沫和弹簧可以彼此独立地移动，并且不附接到彼此。
另一个示例公开在美国专利申请2015/342362A1(Demoss等人)中。该专利申请教导了一种袋装螺旋弹簧组件，其包括定位在螺旋弹簧内部腔体中的一定量的柔性泡沫，并且该柔性泡沫的顶表面在螺旋弹簧上方延伸。在本申请中没有提到线圈和弹簧之间的连接。图中仅显示了螺旋弹簧和柔性泡沫在某些部段处彼此接触。这种构造结合了柔性泡沫和螺旋弹簧的构造的特性是，当柔性泡沫在螺旋弹簧上方延伸时，泡沫部段在载荷下首先起反应，因此柔性泡沫是使用者的舒适感觉的主要因素。发明人想要这种效果，如该文献中所详述的。
弹簧和泡沫不连接到彼此，因此它们可以彼此独立移动，而不会同步。通过添加如专利申请中所述的由不可弯曲材料制成的袋状材料，该袋状材料将负面地干扰对载荷的动态反应，因为袋状材料是不可弯曲的材料，在载荷下将变得“松散”，而没有任何动态反射。如该文献的图2中所示的柔性泡沫和螺旋弹簧的组合也显示了在动态载荷下没有连接来同步螺旋弹簧和柔性泡沫的行为。螺旋弹簧和柔性泡沫可以彼此独立地移动，尤其是当处于低载荷下时。该专利文献建议柔性泡沫应该填充螺旋弹簧内的所有内部空间，因此柔性泡沫将在载荷下在制造螺旋弹簧的金属线材之间向外膨胀。这种膨胀将完全改变弹簧的行为，因为柔性泡沫限制和停止螺旋弹簧的移动，使其自身变得非常坚硬。在载荷下的泡沫和弹簧与泡沫挤压在线材之间的组合没有显示出“弹簧”或“柔性泡沫”的感觉，而是非常坚硬和静态的，没有任何动态响应。
美国专利申请2015/296992 A1(Ghanei等人)描述了一种没有弹簧但在底座部段中具有通道的床垫，据说该通道与风扇结合提供冷却。
荷兰专利NL 8 101 008 A(Uden&Bicker)教导了一种内部床垫，其具有在床垫顶部和床垫的底部之间轴向地延伸的大量线材弹簧，该床垫由线材和弹性材料形成，弹性材料至少在轴向线材弹簧长度的大部分上延伸。该专利申请没有描述泡沫和弹簧部件的任何附接(即粘合、粘附或其他牢固连接)。
从现有技术专利申请US 2015/342362 A1可知，弹性材料在弹簧上方的延伸将导致该弹性材料部段首先且主要对在该荷兰专利中的这种产品的使用者的载荷作出反应。弹簧和弹性材料之间没有附接，弹簧和弹性材料仅在各个点处彼此接触，这些点可能是在载荷下或不在载荷下的不同点。这种构造导致弹簧和弹性材料能够在动态载荷下彼此独立地移动。因此，在压力释放的情况下，弹性材料可能以更快的速率向上移动，从而减少可能以更慢的速率膨胀的弹簧的任何舒适效果。此外，在该现有技术文献中，弹性材料显示为填充弹簧内的大部分空间。这将导致弹性材料能够在弹簧的线材之间延伸，如前所述。
加拿大专利CA 449 744 A(Glenn)描述了一种弹簧，该弹簧由弹簧线材螺旋和海绵状弹性材料的芯组成，该芯***弹簧线材螺旋并延伸弹簧线材螺旋的基本上整个高度或长度，当弹簧没有载荷时，芯“紧密配合”，但是一旦弹簧处于载荷下，芯就在线材之间延伸。没有描述弹簧和海绵状弹性材料之间的任何附接。以某种方式，类似于专利申请US 2015/342362和NL8101008中的公开，这种类型的构造不会使弹性材料和弹簧的效果同步，因为它们可以彼此独立地移动。在这种情况下，弹性材料应该从弹簧的线材之间挤出的事实将导致这种构造在满载荷下的静态无响应性行为。
此外，类似于专利申请CA 449 744 A，英国专利申请GB 2 052 677 A(PriceBros)也描述了一种复合弹簧，其包括同轴地包围可变形芯的螺旋弹簧，弹簧的至少一些螺旋与芯的***接触并使芯的表面变形。从该专利申请的附图中可以清楚地看出，可变形芯中的泡沫在载荷下从弹簧的线材之间挤出，线材之间是“变形表面”。如在该专利申请中所述的弹簧和泡沫的这种组合的缺点在以上段落中进行了概述。
对现有技术的分析可以总结为，注意到每种材料(即泡沫和弹簧)在由使用者引起的载荷下作出反应的不同动态参数。由于现有技术公开中的泡沫材料大部分定位在弹簧部段的顶部上或在弹簧部段上方延伸，因此“泡沫感”主导了这些组合的整体动态响应。弹簧和泡沫的满载荷组合的静态行为以及泡沫在弹簧的线材之间蠕动在现有技术中显然是被接受的，甚至是受欢迎的。
发明内容
本文献中描述了一种成型体。该成型体包括至少一个弹簧和至少一个泡沫部段。泡沫部段的最上部部段附接到至少一个弹簧的最上部部段，并且泡沫部段的最下部部段附接到至少一个弹簧的最下部部段。换句话说，泡沫部段和弹簧以平行的方式附接在至少两个位置，使得成型体在压缩时用作单个物体。牢固的连接可以直接进行，其中泡沫的部段直接附接到弹簧，或者通过诸如板或类似的坚固材料的中间元件附接。具有平行组织的弹簧和泡沫部段的成型体有效地具有类似于粘弹性泡沫的特性，即，它既是粘性的(当受到力时，抵抗剪切或应变)，又是弹性的(在移除力时，恢复到其原始形状)。
在作为床垫使用期间，由于睡眠者的体重没有均匀地分布在床垫的上表面上，所以由睡眠者施加在床垫的上表面上的压力在不同的时间有很大的不同。受睡眠者身体压迫的大表面积仅承受1.0-2.0kPa的压力，例如，在睡眠者的腿部、臂部或脊柱的前凸所在的区域处。在臀部或肩部区域中的压力大多为3.0至4.5kPa，但可以容易地达到7.0至8.0kPa的峰值。这些峰值仅影响接触床垫的上表面的相当小的身体区域，这些峰值显著地决定了睡眠者对床垫的舒适感。正是这些区域(肩部和臀部区域)决定了床垫被感知为柔软的、坚硬的还是快速响应的，因为这些区域承载了睡眠者的身体重量的最大百分比。因此，如果泡沫部段被设计成使得泡沫部段不能在形成弹簧的线圈之间挤出，则当睡眠者躺在形成床垫的成型体上时，即使成型体受到1.0至8.0kPa之间的力，泡沫部段也不应该被挤出。
在一个方面，不需要在成型体中使用粘弹性泡沫。粘弹性泡沫会受到温度的影响，并且甚至可能在体温的存在下不可预测地改变其特性。粘弹性泡沫也是空气不可渗透的，因此产生一种热或温暖的感觉，这对于坐在垫子上或躺在床垫上的人来说可能是不舒服的。此外，粘弹性泡沫比常规泡沫更昂贵。
在另一方面，也可能在成型体中使用粘弹性泡沫，并且这将允许调节泡沫的粘弹特性。
成型体可以用在例如椅子上的垫子中，或者用作床的床垫。然而，应当理解，这些应用并不限制本发明。
在一个方面，泡沫部段定位在弹簧内部。这保护泡沫部段免受损坏。
温度调节装置布置成与具有热弹性特性的泡沫部段的至少一个部段热接触；以及用于温度调节装置的控制装置，其适于通过改变温度来调节泡沫部段的硬度。这使得能够调节至少部分泡沫的硬度。
具有热弹性泡沫部段的成型体可以具有水平通道或竖直通道中的至少一个，以使空气能够在成型体内循环并冷却成型体。
具有热弹性泡沫部段的成型体还可以包括多个传感器，以测量施加到成型体的表面的压力。
在一个方面，弹簧包括完全位于弹簧内并容纳泡沫部段的内部部段。泡沫部段和弹簧的最上部和最下部的部分附接到彼此，并且泡沫部段被设计成横截面直径足够小于弹簧的横截面，使得在最大0.5N/cm2的载荷下泡沫不会在弹簧的线材之间蠕动或延伸。
附图说明
图1示出了具有泡沫和弹簧的成型体的构造。
图2示出了成型体的备选构造。
图3示出了多个弹簧和泡沫的组合。
图4A和图4B示出了载荷-挠度曲线。
具体实施方式
现在将基于附图描述本发明。应当理解，本文描述的本发明的实施例和方面仅仅是示例，并不以任何方式限制权利要求的保护范围。本发明由权利要求及其等同物限定。应当理解，本发明的一个方面或实施例的特征可以与本发明的不同方面和/或实施例的特征相结合。
本文献教导了一种成型体10，该成型体10包括至少一个弹簧20，该弹簧20具有内部部段22和一个泡沫部段30，如图1至图3所示，并且适合于例如用作床的床垫或垫子。泡沫部段30或者是常规的聚氨酯泡沫，或者可以由粘弹性泡沫制成，但是这并不限制本发明，并且在成型体中可以使用其它类型的泡沫。如下文将解释的，粘弹性泡沫具有在加温时改变其动态特性的特性。常规的聚氨酯泡沫在典型的室温下加温时不会改变其动态特性。从图1中可以看出，泡沫部段30的横截面直径小于弹簧20的内部部段22的横截面。
如下文将解释的，成型体可以与加温装置、传感器和控制器结合使用，以改变床垫或垫子中的泡沫的特性。这使得能够在靠近产品的表面的区域中使用这种成型体，诸如在床上的床垫中。成型体允许床和其床垫的硬度显著变化，这基本上独立于体温对其硬度的影响。这意味着泡沫可以靠近床的床垫的表面放置，并且因此在床的使用过程中更容易察觉硬度的变化。
热弹性泡沫与温度改变装置一起能够使泡沫在20℃至50℃的范围内加温，并导致产品具有改变的特性。发明人已经确定，泡沫本身硬度的变化是迅速的，并且可以被使用者清楚地注意到，即使由温度改变装置引起温度的微小变化。
本文献中描述的弹簧20和泡沫30的组合与现有技术中描述的组合表现不同。增加载荷的力将同时到达弹簧20和泡沫30，并且将一直保持这种同步性，直到弹簧20和泡沫30都基本上被完全压缩。此外，由弹簧20和泡沫30的这种组合在朝向使用者的载荷减小的情况下释放的力将同时来自弹簧20和泡沫30两者，并一直保持这种同步性，直到弹簧20和泡沫30都完全膨胀。
在已知的现有技术中，发现弹簧20或泡沫30任一者的其中一个部件在压缩和膨胀开始时或在压缩和膨胀期间的任何时候对增加或减少的载荷的响应起主导作用，因为现有技术的弹簧20和泡沫30可以彼此独立地移动，并且“较硬”的部分将在压缩下起主导作用，而具有较高恢复力的部分将在膨胀下起主导作用。在现有技术中，两个部件的唯一“协调”反应是泡沫正在弹簧的线材之间蠕动或延伸的阶段。这种蠕动导致这种组合的静态无响应性反应，因为两种材料(即泡沫和弹簧)相互阻塞，并且这种阻塞是不希望的。
弹簧或泡沫的“最上部”或“最下部”部段的表达被定义为泡沫/弹簧组合中的部段。在最终产品中，该组合可以胶合到在该组合的顶部或下部的泡沫或弹簧。
如图1至图3的示例所示，泡沫30的最上部部段34和最下部部段36附接到弹簧20，因为这将使泡沫30在移除载荷后能够恢复到原始形状。该构造可以包括在泡沫30中或其他地方的通道或孔，以基于更热的空气上升的趋势允许更热的空气离开泡沫部段。
如上所述，具有舒适特征的成型体由泡沫30与弹簧20制成。这些弹簧20大部分是金属的，尽管一些塑料型式是可用的。如在图3中可见，弹簧20或者附接到彼此，或者在彼此旁边单独地立在袋中。弹簧20可以组装成几层，水平地放置在彼此的顶部上。在几个水平层的这后一种情况下，每个水平层可以具有不同的硬度特性，其中弹簧20的最上部的水平层是这些层中最软的一层，并且最下部的水平层是这些层中最硬的一层。这导致在使用期间随着来自产品的顶部的载荷力的增加，硬度增加。
弹簧20和泡沫30具有不同的硬度特性，这可以通过查看载荷-挠度曲线来证明，如图4A和图4B所示。图4A和图4B是曲线图，其中梁上增加的弯曲载荷沿着竖直轴线绘制，并且由这些载荷产生的挠度沿着水平轴线绘制。泡沫和弹簧的这两条曲线截然不同。图4A示出了弹簧20之一的曲线图。可以看出，随着载荷的增加，硬度的增加是非常线性的，但在低载荷的开始部分不是这样。
聚氨酯柔性泡沫的相同曲线在图4B中可见，并且具有不同的特性。可以看出，聚氨酯柔性泡沫30的不断增加的载荷导致在低载荷下硬度不断增加，然后硬度随着载荷的增加或多或少是静态的，然后当聚氨酯泡沫被完全压缩时再次快速增加。
如引言中所述，过去曾有不同的尝试将两种舒适材料结合到一种产品中，以形成所谓的混合产品。据发现，将两种材料(即弹簧和聚氨酯泡沫以连续方式)放置在一个产品中不会导致两条挠度曲线的正组合，因为这两种不同材料中的每一种都保持其自身的硬度特征。
已经发现，两种材料的一种组合是将聚氨酯泡沫30集成到弹簧20中，聚氨酯泡沫30的最上部部段36与弹簧20的最上部部段26并且聚氨酯泡沫30的最下部部段34与弹簧20的最下部部段24机械地牢固连接。这种附接可以例如通过粘合剂来实现。发现这种组合产生了最终产品的意想不到的行为，因为该组合表现得像普通的弹簧，但是硬度从低到高非常线性地增加，直到两种材料(聚氨酯泡沫30和弹簧20两者)被完全压缩。聚氨酯泡沫30抑制弹簧20的移动，但是整体组合保持其作为弹簧的回弹性，除非被完全压缩。泡沫30可以尺寸设计成使得泡沫30不会在弹簧20的载荷下从线材材料之间蠕动出，因为这种蠕动出会破坏本文所述的泡沫30和弹簧20的组合的动态特性。例如，通过将柔性泡沫20的截面设计成直径充分小于弹簧20的直径，可以满足这个条件。
使用带有相应控制器的热弹性泡沫与弹簧20一起控制硬度使得能够通过控制热弹性泡沫30的硬度来控制成型体10的硬度。由于在弹簧20内部的热弹性泡沫30的两侧上的空气，过量热能的快速释放是可能的。
还发现没有必要将所有弹簧20连接到聚氨酯泡沫30。已经发现，如果弹簧20中的一个或多个机械地连接到修改的弹簧20(具有聚氨酯泡沫)，这将导致那些相邻的弹簧20(没有附接到聚氨酯泡沫)以类似的方式对增加的载荷作出反应。因此，只有产品中的一些弹簧20必须被修改以实现所描述的效果。
示例
图1示出了诸如前述的床、床垫或垫子的成型体的部段的典型构造。这些部段中的几个可以水平地或竖直地或两者兼有地彼此相邻放置，以形成完整的产品。
图1所示的成型体10包括弹簧20，弹簧20具有附接到布置在弹簧20的主体内的泡沫30的最上部部段24和最下部部段26。泡沫30具有最上部部段34和最下部部段36，它们通过顶板44和底板46通过附连(例如通过粘合剂)附接到弹簧20。泡沫30可以是如本文献中讨论的粘弹性泡沫或常规泡沫。顶板44可以在床垫的表面处，并且底板46可以在床垫或垫子的底表面处。顶板44和底板46也可能是床垫或垫子内的中间层，只要顶板44和底板46将弹簧20和泡沫30彼此附接。顶板44和/或底板46因此必须在机械上足够坚固以产生平行行为，并且可以由金属或另一种塑料制成。
图2示出了成型体10的备选构造，其中弹簧20布置在圆柱形泡沫30内部。弹簧20的最上部部段24附接到泡沫30的上部段34，并且弹簧20的最下部部段26附接到泡沫30的最下部部段36。在这种组合中，泡沫30将在增加的载荷下向外移动，使得泡沫30不会从弹簧20的线材之间蠕动出。
图3示出了多个金属弹簧20沿着泡沫30的块状件的长度相邻布置。这种构造可以用于例如前述床垫中。
图3还示出了温度产生层50牢固地固定或胶合在热弹性泡沫1内部。温度产生层50通过电缆连接到外部控制器60。在成型体10的表面上的一个或多个传感器70可以检测成型体10上的压力，并改变成型体10的特性，从而调节垫子或床垫的硬度。
附图标记
10 成型体
20 弹簧
22 内部部段
24 最上部部段
26 最下部部段
30 泡沫
34 最上部部段
36 最下部部段
40 板
44 顶板
46 底板
50 温度产生层
60 控制器
70 传感器

Claims (11)

1.一种成型体(10)，包括至少一个弹簧(20)和至少一个泡沫部段(30)，而所述泡沫部段(30)的最上部部段(34)附接到所述至少一个弹簧(20)的最上部部段(24)，所述泡沫部段(30)的最下部部段(36)附接到所述至少一个弹簧(20)的最下部部段(26)，
其中，所述泡沫部段(30)的所述最上部部段(34)通过机械上坚固的顶板(44)借助附连而附接到所述至少一个弹簧(20)；和
所述泡沫部段(30)的所述最下部部段(36)通过机械上坚固的底板(46)借助附连而附接到所述至少一个弹簧(20)，其中，所述泡沫部段(30)在尺寸上相比所述弹簧(20)足够小，使得在高达8.0kPa的载荷下，所述泡沫部段(30)的任何部分都不在所述弹簧(20)的线材之间膨胀。
2.根据权利要求1所述的成型体，其中，所述至少一个泡沫部段(30)的柔软度依赖于温度。
3.根据权利要求1或2所述的成型体，其中，所述至少一个泡沫部段(30)位于所述弹簧(20)内部，或者其中，所述至少一个泡沫部段(30)被包裹并且至少部分地邻接所述至少一个弹簧(20)。
4.根据权利要求1或2所述的成型体，还包括多个弹簧(20)，并且所述至少一个泡沫部段(30)被所述多个弹簧(20)包围。
5.根据权利要求1或2所述的成型体，还包括用于改变依赖于温度的泡沫部段的温度调节装置(50)。
6.根据权利要求5所述的成型体，还包括用于所述温度调节装置(50)的控制装置(60)，所述控制装置适于通过改变所述至少一个泡沫部段的温度来调节所述至少一个泡沫部段(30)中的一个的硬度。
7.根据权利要求1或2所述的成型体，其中，所述至少一个泡沫部段(30)包括多个泡沫部段。
8.根据权利要求1或2所述的成型体，其中，所述至少一个泡沫部段还包括水平通道或竖直通道中的至少一个。
9.根据权利要求1或2所述的成型体，还包括多个传感器(60)，用于测量施加到所述成型体的表面的压力。
10.根据权利要求1或2所述的成型体(10)，其中，所述至少一个弹簧(20)具有内部部段(22)，所述至少一个泡沫部段(30)位于所述内部部段(22)内，所述泡沫部段(30)的横截面尺寸相比所述弹簧(20)的所述内部部段(22)的尺寸更小，使得在高达8.0kPa的载荷下，所述至少一个泡沫部段(30)适于仅在所述弹簧(20)的所述内部部段(22)内膨胀。
11.根据上述权利要求中任一项所述的成型体在垫子、床、床垫或枕头之一中的用途。
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