[0001] 本
发明涉及一
安全帽，用于高
风险活动中，诸如在体育及工业用途中需要保护头部免遭损伤，特别是一种减少角加速撞击而对安全帽内头部产生角应
力的设定。
背景技术
[0002] 在体育运动中头部受伤的描述已经广为流传，特别是在具有肢体
接触的运动中，如
足球，曲棍球和长曲棍球。虽然灾难性的头部和脑部损伤通常可以有效的控制，但头盔对震荡损伤的发生率的作用微乎其微。在某种程度上在运动、娱乐活动和工业上使用头盔的设计主要是防止灾难性头部损伤。直接产生于撞击的头部损伤的是通过头部在撞击过程中的线加速和角加速的特征在描述。某些头部损伤，如颅骨骨折和颅内出血，是和线加速撞击有关，而像脑震荡损伤、硬膜下血肿被认为和角加速撞击更有关系。现在
泡沫和塑料结构的头盔主要是用于防范线加速的撞击，但没有发明是直接用于防范线加速和角加速撞击的。
[0003] 在2003年由Mendoza发布的美国
专利6560787公开了一种设定，其为了减少诸如角加速撞击，其中描述了一层凝胶。其包含设计有两个刚体用于减弱作用于头部的压
应力和角应力。而这种设置不能减少足够的角应力来免受头部损伤。
发明内容
[0004] 本发明的一个目标是提供一种改善了的头盔，用于控制穿戴者的头部上的角应力。
[0005] 根据本发明的一个方面，提供了用于保护头部免遭撞击的帽子，其包括：一用于接触穿戴者的头部的外表面的内层，一用于撞击外部物体的外层；
多个组件位于所述内层和所述外层之间，并且设置在所述穿戴者的头部的周围的隔离区域中；设置每个组件可使得穿戴者的头部的外表面与所述外层可以在大致平行于穿戴者的头部的外表面的方向上进行相对运动。
[0006] 优选的，所述组件的被设置成适应施加在所述头部及所述外层之间的角应力。
[0007] 优选的，所述帽子的被设置成适应施加在所述头部及所述外层之间的线应力和角应力。
[0008] 优选的，在所述内层中设置有一坚硬的内胆，以和所述头部的外表面相接触并在所述外层中设置有一刚性
外壳，其中，在所述内胆和外壳之间设置有可折叠材料，用以吸收施加在所述头部和所述外层之间的线应力。
[0009] 所述组件被设置在外壳上或内胆上或邻近外壳的地方或邻近内胆的地方。
[0010] 优选的，所述组件被设置在所述内胆和所述外壳之间。
[0011] 在某些情况下，外层不包含一附加的刚性外壳。在需要适应线应力的场合也可设置一可折叠材料以适应那些线应力。
[0012] 优选的，所述可折叠材料作为一间隔层隔离所述组件。可折叠材料可以是一种弹性材料，例如弹性泡沫材料。
[0013] 在某些情况下，所述帽子不具有控制线加速的结构，只拥有所述组件提供的旋转控制系统。
[0014] 优选的，每个组件包括一具有外壁和内壁的
箱体，所述外壁和内壁之间设置有可流动材料，从而所述外壁可相对于内壁在平行于所述内外壁的方向上滑动。在这种情况下，所述箱体由一形成柔性壁的材料和/或形成弹性壁的材料组成。
[0015] 优选的，设置所述组件通过移动可流动材料至侧边允许在垂直于所述头部的方向上进行凹陷运动。
[0016] 所述可流动材料为一种凝胶或者一种液体，虽然其通常不是一
牛顿
流体。
[0017] 优选的，至少有一个组件设置在所述穿戴者的头部外表面上的每个顶部、前部、后部、左部及右部和所述外层中相接触的部分之间。所述组件通过一隔离空间相互间隔。
[0018] 根据本发明第二个方面，提供了用于保护头部免遭撞击的帽子，其包括：一用于接触穿戴者的头部的外表面的内层，一用于撞击外部物体的外层；
至少有一个组件位于所述外层和所述内层之间；
其中，所述至少一个的组件包含一具有外壁和内壁的箱体，所述外壁和内壁之间设置有可流动材料，从而所述外壁可相对于内壁在平行于所述内外壁的方向上滑动。
[0019] 详细描述的设定在这儿涉及在高风险活动中使用的，如：在体育及工业用途中需要保护头部免遭损伤。
[0020] 它包含内层和外层之间的两个部分；一腔体或囊状体和液体状或凝胶状物质。液体状或凝胶状物质包含在腔体或囊状体中，并且其通过该方法进行
定位从而产生外壳和内胆或内胆和头部表面之间的低摩擦。液体状或凝胶状物质还可以被用于外壳的外表面或者放置在两层内胆之间。所述装置包含一腔体或囊状物，其中填充一选出的流体或者一凝胶从而限定腔体或囊状物内表面之间的摩擦。该结构和材料为了每种应用和确定的撞击用于设计出适应的力学特性，所述装置的目的是为了减小头部和脑部受到这些应力损伤的危险。本发明可应用传统的材料和结构，或应用根据自己头盔的需求的材料和结构。
[0021] 该装置的目的是通过减小头部产生的线加速度和
角加速度来控制来源于撞击头部的应力。特别是，本发明描述的设置提供了在头部撞击的过程中，一种不同于线应力的独立控制角应力的方法。本发明可用于但不限于体育运动中如：曲棍球、足球、曲棍球、高山滑
雪、骑
自行车和
汽车运动的头盔以及工业和交通运输的安全帽。
[0022] 以下描述的例子阐述了在
冰上曲棍球头盔上装置的应用。在这个例子中，该装置可定位在内胆和外壳之间或内胆和头部表面之间。该装置是由一系列柔性的囊状体组成，该囊状体位于穿戴者的头部周围的间隔区域，每个包含有一低摩擦的液体和凝胶。这个装置用一种可控的方式让所述头盔外表面可以在平行于帽子中的头部表面的方向上移动，从而减小头部的线加速度和角加速度。
[0023] 上述Mendoza的专利描述了设计一包含在两个刚性壳体之间的凝胶层，用以减轻作用在头部的压应力和角应力，本发明的目的是使用低摩擦的腔体或囊状体来控制独立于压应力的角应力。使用一凝胶材料，诸如在Mendoza专利中所述压应力和角应力通过一材料来控制并且各自不能独立进行控制。由于角应力独特并且不一定类似于压应力，所以需要一种控制独立于压应力的角应力的方法是非常重要的。
[0024] 直接撞击头部提供的影响是运动中的物体接触到头部，如运动员的肘部撞击到一静止运动员的头部或者是抢球者的头盔撞击一静止运动员的头盔或者是头部在移动中接触到静止的物体。例如当一个人倒向地面并且其头部运动直至头部接触到固定的地面。
[0025] 线加速度发生在一具有
质量和一定速度的物体与头部或者是具有质量和一定速度的头部相接触并且由所述撞击所产生的加速度是线性的或直线的情况下。
[0026] 角加速度发生在一具有质量和一定速度的物体与头部或者是具有质量和一定速度的头部相接触并且由所述撞击所产生的加速度是角加速或者不是直线的情况下。
[0027] 其中定义的保护帽包括一切设计用于头戴从而减少头部损伤风险的帽子。最常用于体育活动与工业应用中。
[0028] 其中定义的头盔包括用于保护穿戴者免遭危险的保护帽，其大都由外壳、内胆和保留系统构成。
[0029] 其中定义的外壳包括一头盔的外层通常含有一较为坚硬的材料并且常被设计成将应力在分散到一较大的区域内，其通常由较坚硬的材料构成，比如聚
碳酸酯、聚乙烯或者
复合材料。
[0030] 其中定义的内胆包括主要负责控制
能量的头盔部分，该头盔部分由乙烯基腈或聚苯乙烯或聚丙烯泡沫，或塑料结构，或任何上述材料的组合，从而吸收能量。
[0031] 摩擦定义了两种材料的力学关系，并且还是阻止固体表面、流体层和/或材料单元抵制相互滑动的力。有几种类型的摩擦，干摩擦阻止两个相接触的固体表面的相对横向运动。干摩擦还细分为两个不相对移动表面之间的静摩擦，和两个相对移动表面之间的动摩擦。流体摩擦说的是一粘性流体在两层之间进行相对运动所产生
摩擦力。润滑摩擦是流体摩擦中的一种情况，即一流体隔开两个固体表面。本发明所叙述的设定使用流体摩擦来控制所述腔体或囊状体中两层之间的相对滑动，从而吸收来自角加速度的能量。
[0032] 本发明采用一腔体或囊状体作为一装置，该装置包含有一物质，该物质可以随着本身的运动而拉伸，并且改变其本身受力后的力学相应。该装置为了创造各种效果可以是单腔体或多腔体装置。
[0033] 其中定义的一凝胶实质上包含有一稀释交联系统，在其稳态时表现为不流动。按重量而言，凝胶大多为液体，但由于液体内的一三维交联网络凝胶的状态像固体。液体中的交联赋予了凝胶结构(硬度)并且提供了粘性(附着)。在该方法中，凝胶是一固体中的液体分子驱散而形成的，其中，该固体是连续相而该液体是非连续相。
[0034] 其中定义的一流体可以是
牛顿流体或是
非牛顿流体。其中定义的牛顿流体的应力与应变率曲线是线性的并穿过其原点。其比例常数为
粘度。其中定义的非牛顿流体的流动性在任何情况下都和那些牛顿流体不同。在一非牛顿流体中，剪应力和剪切率之间的关系是与众不同的，甚至可能依赖于的时间变化。因此，不能定义一恒定的粘度系数。
[0035] 剪切力是压应力在与材料横截面共面的方向上的分量，剪应力产生于平行于横截面方向上的力的矢量分量。
[0036] 压应力或正常应力产生于垂直于材料横截面方向上的力的矢量分量。
附图说明
[0037] 本发明的一
实施例将连通附图来阐述的，其中：图1是本发明中冰上曲棍球头盔所呈现的囊状体
位置的前立面视图；
图2是本发明中冰上曲棍球头盔所呈现的囊状体位置的前立面视图；
图3是图1中头盔的剖视图；
图4是类似于表示第一实施例的图3的剖视图；
图5是类似于表示第二实施例的图3的剖视图；
图6是类似于表示第三实施例的图3的剖视图；
图7是用在表示第一实施例的图1中的一囊状体的剖视图；
图8是用在表示第二实施例的图1中的一囊状体的剖视图；
图9是用在表示第三实施例的图1中的一囊状体的剖视图。
[0038] 在附图中参考特征在不同的附图中所指所对应的部分。
具体实施方式
[0039] 本发明的一腔体或囊状体为了设有液体或凝胶由一个或多个组件组成，并且提供了控制来自于撞击的压应力和剪切力的结构。
[0040] 一种液体或凝胶11设置在囊状体中，该囊状体减少了头盔和头部表面之间的剪切力。
[0041] 液体或凝胶材料11可使得柔性内壁和外壁12、13朝着平行于该壁和穿戴者的头部的表面14的方向上进行相对的浮动或滑动。
[0042] 该装置的目的是通过减小头部产生的线加速度和角加速度来控制来源于撞击头部的应力。特别是，本发明描述的设置提供了在头部撞击的过程中，一种不同于线应力的独立控制角应力的方法。本发明可用于但不限于体育运动中如：曲棍球、足球、曲棍球、高山
滑雪、骑自行车和汽车运动的头盔以及工业和交通运输的安全帽。
[0043] 图1、2和3中提供的例子叙述了在冰上曲棍球中的使用该装置，其中包括可压缩材料制成的外壳15和内胆16。在这例子中囊状体10位于内胆16和头部表面14之间。该装置由一系列柔性囊状体10构成，柔性囊状体10包含有低摩擦液体或凝胶11。这个装置用一种可控的方式让含有内胆和外壳的头盔在平行于表面14的方向上移动，从而减小头部的线加速度和角加速度。
[0044] 上述Mendoza的专利描述了设计一包含在两个刚性壳体之间的凝胶层，用以减轻作用在头部的压应力和角应力。
[0045] 本发明叙述的设定是使用一具有低摩擦液体或凝胶的腔体和囊状体10，从而来控制独立于压应力的角应力，该压应力通过内胆16来控制。通过一材料11，所述压应力和角应力来控制并且各自不能独立进行控制。由于角应力F独特并且不一定类似于压应力C，所以需要一种控制独立于压应力C的角应力F的方法是非常重要的。
[0046] 本发明中的设定包含一腔体10，该腔体10填充有一具有高抗压特性和低抗剪切特性的物质。该腔体组件10具有内壁12和外壁13，其可以像
橡胶气球是柔软的，或者像图7中所述具有确定的结构特性12A、13A是坚硬的。腔体可以被设计为控制来源于撞击的线加速度和角加速度。
[0047] 低摩擦力的液体和凝胶11可具有流量特性，该流量特性的范围根据所需的特性从液体肥皂到一更厚的凝胶材料。
[0048] 本发明中的设定可结合
现有技术加以使用，如泡沫和塑料腔体为了实现内胆中材料可压缩。本发明中的设定包含一柔性腔体，该腔体可被压或拉成不同的形状，根据该腔体和类似于包含在腔体内材料的低摩擦流体，该腔体可以被设计为拥有各种各样的压缩特性。
[0049] 低
摩擦材料11将产生一非常低的
剪切应力，同时保持高的
压缩应力。这让能量控制系统可以控制线加速度力和角加速度力。该材料形成一系统，该系统使头部保护装置或头盔H在头部14A的周围旋转，并且通过控制力使其以一控制的速率旋转，从而控制在撞击中头部角加速度。
[0050] 该装置控制头部撞击中线加速度和角加速度。其包含有一填充有低摩擦材料11的柔性腔体或囊状体10，使该头部保护或头盔控制线加速度和角加速度。该装置设置在头盔的外表面上。如图4所示，装置10B设置在外壳15内两个内胆材料层16B、16C之间。该装置也可以设置在头颅14A和内胆16之间的内胆内部区域。本发明让设计者创造必要的剪切特性来确保控制撞击中所产生的线加速度和角加速度，从而减小了头部损伤的危险。
[0051] 如图1、2所示，一曲棍球头盔设有一系列填充有液体的囊状体，该囊状体位于外壳内部头部周围以及在头部和内胆之间的间隔区域，为了控制线应力和角应力。
[0052] 外壳15由注入的聚乙烯零件组成，聚乙烯零件通过金属螺钉(图中未显示)来相互
支撑固定。内胆材料16和头部表面14之间设置一填充低摩擦液体的囊状体10，是为了让外壳和内胆以受控模式独立于头部旋转。该囊状体10是由聚氯乙烯(PVC)组成，并且填充
植物甘油三酯油。平放的囊状体的平均厚度大约为6mm。
[0053] 囊状体的解剖形状随着头部变化并位于头的前部(额头)，头的侧面(脸颊)，太阳
穴位置，头的后部(枕部)和头的顶部(头顶)。该囊状体10使用胶
水17附着在内胆16上。该内胆16包含有膨胀的聚丙烯添加物，其根据头部成型并且厚度大约有18mm。内胆16使用金属
紧固件固定在外壳15上，该头盔适应于使用者的头部并且使用颈带固定在头上。该囊状体相互隔离，并且只
覆盖在内胆内表面的一小
块区域内。
[0054] 囊状体也可以变得更厚以及/或覆盖更大一块内胆内表面，来确保头部表面14不会接触到内胆16以致减小囊状体的效用，从而减小头部和内胆之间的剪切力。因此，提供足够的囊状体来确保头部表面14被囊状体向内的表面所支撑，从而让头盔在需要的受控模式下在头部周围旋转。
[0055] 如图3所示，本发明中的设定的使用是为了通过在内胆不同层之间设置组件来减少剪切力，该组件位于内胆和外壳之间或者是外壳的外表面。根据这种头盔和撞击危险，组件的应用可以被
修改以适应特定需求。
[0056] 在图6中，囊状体10D设置在外壳15D内的内胆16D和头盔中头部接触面外部之间，从而使该囊状体不会暴露在头盔的内表面在图8中，一个囊状体10F是通过两个或多个堆叠囊状体部分10G，10H形成的，并通过囊状物外部分堆叠在内部分的顶部并附着在内部分上。
[0057] 在图9中，一个囊状体10J是通过两个或多个堆叠囊状体部分10K，10L形成的，并且囊状体的边缘相互连接，如10M所示。
