Устройство в обуви, обеспечивающее принудительную вентиляцию, амортизацию и анатомический контакт стопы
DEVICE IN SHOES, PROVIDING FORCED VENTILATION, SHOCK ABSORPTION AND ANATOMICAL CONTACT OF FOOT

Изобретение относится к области обувной промышленности, а именно к конструкции принудительно вентилируемой обуви, амортизирующей и со стелькой анатомической формы.
Уровень техники. Известны конструкции обуви с пневмонасосом, выполненным в виде пневмокамеры и пневмоцилиндра, и распределительной системы под плантарной поверхностью стопы (патент Великобритании №2386538 А1, выдан 22 марта 2002 г.). Вентилируемая обувь содержит подошву с распределительной системой каналов воздуховодов, пневмокамеру и стельку с отверстиями. Подошва имеет в каблучной части полость, в которой расположен однокамерный пневмонасос, который сообщается с каналами для забора воздуха из окружающей среды, с выходными отверстиями, и каналами, расположенными на неходовой поверхности подошвы, обеспечивающими подачу воздуха во внутриобувное пространство.
Известна группа аналогов вентилируемой обуви (патент Франции на изобретение №2558044, А43В 7/08, 1985 г., патент РФ на изобретение №2118501, А43В 7/06, 1998 г.), содержащих верх с подошвой, образующей со стелькой камеру воздушного насоса, снабженного упругими элементами, впускными и выпускными клапанами, сообщающими с внутренним пространством обуви и соединенного с воздухозаборным каналом. Недостатком изобретений является, что воздушная камера, являющаяся опорой для всей стопы, придает неустойчивость положения стопы в фазе полной опоры.
Известна конструкция вентилируемой обуви (патент RU 2343809, А43В 7/06 (2006.01)), имеющая полость в носочно-пучковой и геленочной частях подошвы, которая разделена на отсеки вертикальными перегородками, а в каблучной части находится камера, образующая воздушный насос, соединенный с боксом, наполненным охлаждающими элементами, через которые проходит воздух из внешней среды, направленный впускным и выпускным клапанами. Это устройство является близким по технической сущности и выбирается за прототип.
В прототипе пневмокамера, расположенная в пяточной части обуви, должна поднимать при наполнении воздухом стельку и пяточную часть стопы, что не предусматривается действующими методиками конструирования обуви и нарушит стабильность положения стопы. При нормальном цикле ходьбы, согласно прототипу, воздух из камеры должен пройти через охлаждающие элементы за 0,1 с. За столь короткий период времени отбор тепла не осуществиться до заявленного уровня эффекта. Сжатый воздух поступает в полости подошвы, которые герметично не соединены с подвижной стелькой, и поэтому заполнены воздухом и парами из внутриобувного пространства. Заборное отверстие для воздуха из внешней среды находится на боковой поверхности каблука, что вызовет его загрязнение в процессе носки обуви и прекращение поступления воздуха в систему.
Учитывая, что полости подошвы существенно больше объема пневмокамеры, то сжатый воздух из пневмокамеры будет выдавливать из полости подошвы застаревший воздух и пары пота, проникшие из внутриобувного пространства. При этом надо принять во внимание, что при сжатии газа в адиабатическом процессе газ нагревается.
Требуемый технический результат. В устройстве обуви, обеспечивающем принудительную вентиляцию, амортизацию и анатомическим с опорной поверхностью контакт стопы, должны быть решены следующие задачи:
- Объем подаваемого для вентиляции воздуха должен быть достаточен для обеспечения высыхания пота, вырабатываемого стопой в носочно-пучковой части, при широком диапазоне температур, влажностных режимов окружающей среды и силовых нагрузок, действующие на стопу.
- Подача вентилирующего воздуха, направленного на стопу, должна охватывать зоны интенсивного выделения пота, проникнуть на участки контакта плантарной поверхности стопы и стельки, а также на свободные горизонтальны и боковые поверхности стопы.
- Создание амортизирующего эффекта за счет энергоемких элементов из материалов с малой удельной массой (упругих полимеров) и сжатия воздуха.
- Плантарные участки стопы, испытывающие высокие нагрузки со стороны стельки, должны контактировать по анатомической поверхности, обеспечивающей рациональное распределение давления по косно-мышечной конструкции стопы во всех фазах ходьбы.
Осуществление изобретения. Устройство в обуви, обеспечивающее принудительную вентиляцию, амортизацию и анатомический контакт стопы, содержащее установленный в несквозном отверстии каблука пневмоцилиндр, связанный с системой воздушных трубопроводов для забора воздуха из окружающей среды и воздушными трубопроводами для распределения сжатого воздуха по плантарной поверхности стопы; включающее пневмокамеру, помещенную в полость носочно-пучковой части подошвы с неходовой стороны, соединенную воздушными трубопроводами для поступления воздуха из окружающей средой и обдува стопы; в пневмоцилиндре и пневмокамере на нижних внутренних поверхностях установлены упругие элементы, возвращающие поршень пневмоцилиндра и мембрану пневмокамеры после опускания в исходное положение, отличающаяся тем, что верхние и нижние поверхности поршня и мембраны выполнены анатомической формы, сохраняющейся во всех фазах ходьбы, верхние поверхности поршня и мембраны изготовлены из влагоемкого материала, например из натуральной кожи, система забора воздуха, в виду разных фаз осуществления заполнения емкостей пневмоцилиндра и пневмокамеры воздухом, имеет на участке забора воздуха один воздушный трубопровод и один впускной клапан, упругие выступы в мембране и упругие столбики в цилиндре обладают существенной жесткостью сжатия так, как они должны воспринимать потенциальную энергию общего центра масс тела носчика, находящегося в своем верхнем положении, что удлиняет период опускания стопы для обеспечения амортизации.
Обувь содержит заготовку верха, скрепленную с низом обуви известным способом, а также устройство, обеспечивающее ряд дополнительных свойств, представленных ниже. Устройство, находящееся в обуви, создает эффект принудительной вентиляции, амортизации и анатомического контакта стопы, имеет в своей пяточной части пневмонасос с цилиндром наполнения, сжатия и подачи воздуха к носочно-пучковой части стопы; пневмокамеру в переднем отделе стопы с теми же функциями, что и пневмоцилиндр, только для подачи сжатого воздуха к пятке стопы.
Пневмоцилиндр в каблучной части обуви образован несквозным цилиндрическим отверстием и поршнем, отпрессованным под анатомическую форму пятки стопы, состоящем из материалов вкладной и основной стелек, боковая часть поршня представляет собой замкнутую поверхность с постоянным диаметром. Несквозное цилиндрическое отверстие, в которое вставляется пластмассовая гильза для снижения коэффициента трения с поршнем, с которым образуется пара скольжения.
На дне несквозного отверстия находятся разновысотные цилиндрические столбики, которые своими верхними плоскостями образуют анатомическую форму пятки и контактируют с нижней поверхностью отпрессованного под анатомическую форму стопы поршня.
В стенках каблучной части подошвы и соответственно в гильзе имеются два отверстия диаметром 3-5 мм для поступления воздуха из окружающей среды и подачи сжатого в пневмоцилиндре воздуха для обдува и охлаждения переднего отдела стопы. В воздушных трубопроводах, идущих к этим отверстиям, установлены два обратных клапана для поступления и вывода воздуха. Клапан для поступления воздуха в пневмоцилиндр из окружающей среды выполняет также функцию проводки свежего воздуха в пневмокамеру, что оказывается возможным, так как заполнение воздухом пневмоцилиндра и пневмокамеры происходит в разных фазах опоры стопы.
В носочно-пучковой части подошвы с неходовой стороны выполнена полость с боковыми сторонами, граничащими с полочкой, где располагается затяжная кромка и сеть воздушных трубопроводов. В носочной части подошвы полость ограничивается сечением (0,94 Д), а в пучковой (0,66 Д), что соответствует зоне интенсивного потовыделения у стопы. Полость сверху закрыта мембраной, установленной на месте аналогичного выреза основной стельки, и закрепленной по периметру верхнего края полости.
В предлагаемом устройстве предусмотрено производить обдув участков стопы, подверженный наибольшему давлению со стороны стельки, затрудняющего испарение пота. Это участки под первой фалангой первого пальца, а также опорные участки пучковой и пяточной части стопы. Воздухопроводные трубы располагаются так, чтобы выделенные зоны обдува были охвачены по периметру, а отверстия в боковых стенках воздушных трубопроводов были совмещены с соответствующими отверстиями для обдува в стельках.
Направление обдува стопы производится под углом 45 градусов к опорной поверхности стопы, для чего в стельках выполнены наклонные отверстия, что облегчит расклинивание контактирующих поверхностей стопы и стельки сжатым воздухом для ускорения испарения пота и охлаждения стопы и одновременно осуществлять обработку боковых поверхностей выделенных участков стопы. В устройстве имеется пневмонасос и пневмокамера с двумя емкостями, что обеспечивает требуемый объем воздуха для обдува и охлаждения стопы.
Предлагаемое устройство технически выполнимо на литьевых машинах для формования низа обуви. Клапана, пластиковые воздухопроводные трубы различного сечения производятся в широком ассортименте и приобретаются как комплектующие. Учитывая повышенный эффект эргономичности устройства - охлаждения стопы и испарение пота, амортизация и оптимальное распределение давления на контактируемых участках плантарной части стопы, что повышает комфортность обуви, открываются возможности для широкого промышленного применения.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 показан пневмоцилиндр во взаимодействии с пяточной частью стопы, состоящий из цилиндрического несквозного отверстия в каблучной части подошвы, боковые стенки которого укреплены гильзой из пластика. На дне цилиндрической полости имеются упругие столбики, поддерживающие своими верхними плоскостями поршень, представляющий собой отформованное дублированное соединение, вырезанное по кругу из материала вкладной и основной стелек по внутреннему диаметру гильзы и имеющее анатомическую форму пятки стопы.
На фиг. 2 изображена пневмокамера для обдува, охлаждения и амортизации носочно-пучковой части стопы и рационального распределения давления на ней.
На фиг. 3 показана схема расположения воздушного трубопровода для забора воздуха из окружающей среды, подача его к пневмоцилиндру и пневмокамере, а также распределение сжатого воздуха по различным участкам стопы.
Описание устройства.
Конструкция устройства в статическом состоянии. В каблуке 1 имеется несквозное отверстие 2 постоянного диаметра, где располагается пневмоцилиндр 3, стенки которого укреплены пластиковой гильзой 4, обеспечивающей низкий коэффициент трения при скольжении поршня, образованного путем вырезания и формования кругов из вкладной и основной стелек 5 и 6. В гильзе 4 и стенках каблука 1, охватывающих пневмоцилиндр 3, находятся с противоположных сторон два отверстия диаметром 3-5 мм для забора воздуха из окружающей среды (справа на фиг. 1) и для подачи сжатого воздуха (слева на фиг. 1) для обдува и охлаждения плантарной носочно-пучковой части стопы. В теле каблука 1 со стороны внешнего торца имеется канал с воздушным трубопроводом со вставленным впускным клапаном 7 для забора воздуха из окружающей среды. Воздушный трубопровод заканчивается под задним наружным ремнем затянутой заготовки верха обуви 8в ее верхней части.
В теле каблука 1 со стороны его внутреннего торца имеется канал с воздушным трубопроводом со вставленным выпускным клапаном 9 (фиг. 1). Этот воздушный трубопровод, находясь также на внутренней поверхности подошвы 10 (фиг. 2), соединяет пневмоцилиндр 3 (фиг. 1) с плантарной поверхностью носочно-пучковой частью 11 (фиг. 2) стопы, подлежащей обдуву и охлаждению.
Поршень цилиндра 3 (фиг. 1), состоящий из дублированных слоев материалов вкладной и основной стелек 5 и 6, отформованных адекватно анатомическому профилю пятки стопы, обеспечивающему рациональное нагружение костно-мышечной конструкции стопы, имеет возможность перемещаться при изменении нагрузки на пятку стопы в различных фазах ходьбы носчика. Для возвращения в исходное положение переместившегося вниз поршня в устройстве предусмотрен набор упругих столбиков 12 (фиг. 1), расположенных на дне несквозного отверстия 2 (фиг. 1), верхние поверхности которых находятся в контакте с нижней анатомической поверхностью поршня и имеют адекватный ей наклон.
Пневмоцилиндр 3 расположен в центре верхней поверхности каблука 1, по бокам и задней части каблука предусмотрено место для затяжной кромки и полочки 2-3 мм, такое же расстояние оставляется и в месте соединения каблука и подошвы.
В состав устройства входит также пневмокамера 13 (фиг. 2), находящаяся в полости 14 носочно-пучковой части подошвы 10 на ее внутренней стороне. Стенки полости 14 вертикальные, на ее дне равномерно расположены упругие выступы 15 в виде цилиндров, их высота и наклон верхних плоскостей определяется анатомической формой плантарной поверхности участка стопы, ее размерными параметрами.
Пневмокамера 13 (фиг. 2) сверху закрыта мембраной 16, принимающей форму опорной поверхности, создаваемой упругими выступами 15, размерные параметры которых построены по индивидуальной диагностической карте носчика или по данным для средне-типичной стопы. Мембрана 16 (фиг. 2) выполнена из упругого полимера и располагается на месте вырезанной зоны носочно-пучковой части основной стельки. По периметру мембрана 16 прикреплена (приклеена) к бортику, окаймляющего полость. На верхней поверхности мембраны 16 имеется такой же формы деталь из материала вкладной стельки для обеспечения гигиенических требований.
В задней торцовой стенке 17 (фиг. 2) пневмокамеры 13 имеются два отверстия 18 и 19 с закрепленными воздушными трубопроводами, на которых установлены выпускной 20 и впускной клапаны 7. Впускной клапан 7 предназначен для забора воздуха из окружающей среды, а выпускной клапан 20 для подачи сжатого воздуха для обдува и охлаждения пяточной части стопы.
Устройство работает следующим образом. В фазе переднего толчка, когда носчик обуви опирается на пятку, нагрузка передается на поршень пневмоцилиндра 3 (фиг. 1), который опускается, сжимает и выдавливает воздух, имеющийся в полости пневмоцилиндра 3, через левое боковое отверстие в пластиковой гильзе 4. Отверстие соединено с воздушным трубопроводом, где установлен выпускной клапан 9. Воздушный трубопровод направлен к наклонным под 45 градусов отверстиям, просверленным по периметру носочно-пучковой части вкладной и основной стелек, для обдува и охлаждения выделенного участка стопы. Отверстия в стенках воздушного трубопровода совмещены с просверленными наклонными отверстиями в стельке.
Поршень пневмоцилиндра 3 (фиг. 1) вынужден перемещаться вниз с замедленной скоростью, так как ему приходиться преодолевать не только сопротивление прохождения воздуха через воздушный трубопровод, выпускной клапан 9 и сопла 21 отверстий (фиг. 3), но и также сжимать упругие столбики 12, что обеспечивает амортизацию стопы.
Степень сжатия упругих столбиков 12 (фиг. 1) при увеличении нагрузки на пятку стопы зависит от ее костно-мышечного строения и соответственно анатомический профиль поршня пневмоцилиндра 3 будет поддерживаться автоматически.
После завершения процесса нагружения пятки стопы и сжатия упругих столбиков 12 (фиг. 1) начинается фаза переката стопы на носок. Упругие столбики 12 распрямляются и поднимают поршень пневмоцилиндра 3 в исходное положение, при этом полость пневмоцилиндра 3 заполняется воздухом через впускной клапан 7 из внешней среды.
В фазе заднего толчка, когда нагрузка передается на носочно-пучковую часть стопы, происходит сжатие пневмокамеры 13 (фиг. 2), мембрана 16 прогибается, сжимая и выдавливая воздух, имеющийся в полости 14 пневмокамеры 13, через отверстие 18 в задней торцовой стенке 17, выпускной клапан 20, воздушный трубопровод и далее к направленным под углом 45 градусов отверстиям, проделанным(просверленным) по периметру пяточной части вкладной и основной стелек для обдува и охлаждения пятки стопы.
Мембрана 16 прогибается вниз с замедленной скоростью, так как ей приходится преодолевать не только сопротивление прохождения воздуха через трубопровод с установленным выпускным клапаном 20 (фиг. 2), через сопла 21 отверстий (фиг. 3), но также сжимать упругие выступы 15 (фиг. 2), что удлиняет период времени рабочего процесса, в результате чего обеспечивается амортизация носочно-пучковой части 11 стопы. Параметры жесткости упругих выступов, установленных в пневмокамере, жесткости упругих столбиков в пневмоцилиндре рассчитываются из условия равенства потенциальной энергии общего центра масс носчика обуви в верхней точки его траектории и энергии деформации упругих выступов и столбиков вместе с другими потерями в системе.
Степень деформации упругих выступов 15 (фиг. 2) при увеличении нагрузки на носочно-пучковую часть 11 стопы зависит от костно-мышечного строения переднего отдела стопы и распределяется соответственно ее анатомической форме, вследствие чего связанная постоянными контактами с упругими выступами 15 (фиг. 2) мембрана 16 будет автоматически поддерживать анатомическую форму стопы.
После завершения процесса нагружения носочно-пучковой части 11 (фиг. 2) стопы начинается фаза переноса стопы, что сопровождается распрямлением упругих выступов 15, мембрана 16 поднимается и занимает исходное положение, что сопровождается увеличением внутреннего объема пневмокамеры 13 и разряжением оставшегося в ней воздуха. Чистый воздух из внешней среды по воздушному трубопроводу, через впускной клапан 7, впускное отверстие 19 заполняет объем пневмокамеры 13. Далее цикл работы устройства повторяется, начиная с фазы переднего толчка.
Зоны стопы - пяточная и носочно-пучковая, подлежащие обдуву, охватываются воздушными трубопроводами, которые в соответствие с фазами нагружения пневмоцилиндра 3 и пневмокамеры 13 (фиг. 1, 2, 3) подают сжатый воздух к охлаждаемым участкам стопы. Отверстия в воздушных трубопроводах совмещены с наклонными отверстиями в основной и наклонной стельках, которые образуют сопла 21 (фиг. 3), располагающиеся по периметрам обрабатываемых участков стопы и обеспечивающих обдув и охлаждение стопы.
Наполнение пневмоцилиндра 3 (фиг. 1) и пневмокамеры 13 (фиг. 2) воздухом из окружающей среды происходит в разных фазах движения стопы, что позволяет иметь в воздушном трубопроводе один вход для забора воздуха и один впускной клапан 7 (фиг. 1, 2.3).