УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБОГРЕВА СТОПЫ

Полезная модель относится к устройствам для обогрева стопы (МПК: A43B 7/02 - обувь с обогревательными приспособлениями, A43B 7/04 - обувь с электрическими батареями и т.п. источниками тепла, A43B 7/34 - обувь с приспособлениями для защиты ног от жары и холода), к обуви с электрическими или электронными системами (СПК A43B 3/0005), а также к обувным стелькам (МПК A43B 17/00 - стельки для вложения). Полезная модель может быть интегрирована в конструкцию обуви или выполнена в виде отдельных стелек, используемых в сочетании с любой подходящей обувью. Полезная модель представляет собой автономное устройство для обогрева стопы, которое преобразует механическую энергию, выделяемую при давлении стопы на нижнюю часть обуви, в тепло за счет использования пьезоэлектрических генераторов и электрического нагревательного элемента.
Из предыдущего уровня техники известно техническое решение, которое раскрыто в патенте № US 20130247410 A1 (США, приоритет от 21.03.2012) МПК A43B 7/02 - «Heat-generating shoe» (Теплогенерирующая обувь).
В нем, как и в заявленном устройстве, происходит преобразование механической энергии в тепло посредством электрогенератора и электрического нагревательного элемента. Но в отличие от заявленного устройства, используется генератор на базе индукционной катушки и магнитного сердечника, который имеет больший объем и вес, чем у пьезогенераторов. Это делает устройство малопригодным для использования в стельках и делает обувь более тяжелой. Из-за наличия подвижных механизмов устройство также менее надежно. Кроме того, в данном решении, в отличие от заявленного устройства, генератор находится только в пяточной части обуви, что делает систему генерации менее эффективной.
Известно другое техническое решение, раскрытое в заявке на патент № CN 109303374 A (Китай, приоритет от 26.07.2017) МПК A43B 7/04, A43B 3/00 - «A kind of heating shoes with piezo-electric generating and photovoltaic power generation» (Вид нагревающей обуви с пьезоэелектрическим и фотоэлектрическим генераторами).
В этом устройстве, так же, как и в заявленном, используется пьезоэлектрический генератор, нагревательный элемент, но, в отличие от заявленного устройства, дополнительно применяется аккумуляторная батарея, фотоэлектрический генератор, расположенный на верхней поверхности обуви, микроконтроллер, выносной термодатчик и др. компоненты. Все это утяжеляет устройство, увеличивает его размеры и уменьшает надежность. Использование такого устройства в составе стелек для обычной обуви невозможно. Кроме этого, не определено расположение пьезоэлектрического генератора.
Наиболее близким техническим решением является устройство, описанное в патенте № KR 20100092292 A (Южная Корея, приоритет от 12.02.2009) МПК A43B 7/02, A43B 7/34, H05B 3/14 - «Heating device using piezoelectric ceramics and insole of shoe with the same» (Нагревающее устройство, использующее пьезоэлектрическую керамику и стелька для обуви с этим устройством). Принято за прототип.
В прототипе так же, как и в заявленной полезной модели, используется пьезоэлектрический генератор и электрический нагревательный элемент. Однако, как и в других аналогичных устройствах, размещение генератора предусмотрено только в задней части подошвы. В то время, как в заявленном устройстве размещение пьезогенераторов предусмотрено в нескольких опорных областях стопы.
Также эта схема подразумевает обязательное использование двух аккумуляторных батарей, диодного выпрямителя и сглаживающего фильтра, которые в совокупности утяжеляют конструкцию, увеличивают ее объем, снижают надежность и повышают стоимость. Кроме того, в этом решении не предусмотрено отключение нагрева, при необходимости.
Перед авторами стояла задача создания легкого, надежного и недорогого устройства для обогрева стопы, применяемого в составе зимней/демисезонной обуви или отдельной стельки, которое не требует расходных материалов, внешних источников питания, а также специального ухода и иных дополнительных действий со стороны пользователя, в том числе - включения и отключения устройства.
Сущность полезной модели поясняется изображениями, на которых показано:
Фиг. 1 - Устройство полезной модели;
Фиг. 2 - Возможная схема подключения компонентов устройства;
Фиг. 3 - Проекция стопы на компоненты устройства;
Фиг. 4 - Пример использования полезной модели в виде стельки для обуви.
На Фиг. 1 показана схема размещения компонентов полезной модели. В передней части расположен резистивный нагревательный элемент 1. Рядом расположен передний блок пьезогенераторов 2. В задней части расположен задний блок пьезогенераторов 3.
В устройстве могут присутствовать дополнительные блоки пьезогенераторов, например, размещенные на внешней боковой стороне стопы. В конкретной реализации такой блок объединен с передним, но может быть выполненным и отдельным от него.
Каждый блок пьезогенераторов может состоять из одного или нескольких элементов. Если в блоке несколько пьезогенераторов, то они могут располагаться как в горизонтальной плоскости (2, 3 Фиг. 1), так и в вертикальной, образуя многослойную структуру. Слои пьезогенараторов могут отделяться друг от друга изоляционным материалом.
Благодаря такой структуре значительно повышается эффективность преобразования механической энергии от давления стопы в электрический ток.
От компонентов устройства 1, 2, 3 отходят парные проводники, которые соединяются в блоке управления 4.
В базовой модификации устройства блок управления 4 содержит термореле биметаллического типа, который замыкает цепь при понижении температуры относительно комфортного уровня.
В базовой модификации используются компоненты, обладающие низкой чувствительностью к характеристикам тока, поэтому отсутствует необходимость в дополнительных устройствах выпрямления и стабилизации тока.
Предусмотрены разные схемы подключения всех компонентов устройства, а также пьезогенераторов внутри блоков. Каждая конкретная схема подключения обуславливается характеристиками используемых деталей, а также их местом размещения. Возможная схема подключения показана на Фиг. 2.
На Фиг. 3 изображена проекция стопы на схему размещения компонентов полезной модели.
Нагревательный элемент 1 находится на уровне пальцев стопы, которые больше всего подвержены риску обморожения. Передний блок пьезогенераторов 2 находится на уровне подушечки стопы у оснований пальцев. Задний блок пьезогенераторов 3 находится на уровне пятки. Таким образом, в системе электро-генерации задействованы все основные точки максимального давления веса человека на обувь. Блок управления 4 расположен на уровне внутреннего свода стопы. Таким образом, компоненты, размещенные там, подвергаются минимальным деформационным нагрузкам.
На Фиг. 4 показан пример использования полезной модели в составе стельки для обуви. Стелька имеет многослойную структуру: 5 - нижний термоизоляционный слой, покрытый отражающим материалом; 6 - средний активный слой, реализующий полезную модель; 7 - верхний мягкий слой, контактирующий со стопой.
Помимо базовой модификации устройства, могут существовать расширенные варианты, перечисленные ниже, но не ограниченные этим списком.
В другой модификации устройства блок управления может дополнительно содержать регулятор, позволяющий корректировать температуру срабатывания термореле.
В другой модификации устройство может дополнительно содержать выпрямитель тока, сглаживающий фильтр и одну или несколько аккумуляторных батарей. В этой версии электрический ток, вырабатываемый в пьезогенераторах, подвергается выпрямлению и сглаживанию, а затем используется для заряда аккумуляторной батареи. Электрический ток от аккумуляторной батареи, в свою очередь, поступает на нагревательный элемент. Такой вариант устройства может быть использован для обогрева стопы при отсутствии движения.
В другой модификации устройство может содержать гнездо, позволяющее подключать зарядное устройство для заряда встроенного аккумулятора. Это позволит использовать устройство в условиях длительного отсутствия движения.
В другой модификации устройства вместо аккумуляторной батареи может использоваться один или несколько ионисторов. Это позволит продлить ресурс работы устройства, уменьшить его габариты и обеспечить стабильность работы в условиях холода (относительно обычной аккумуляторной батареи).
В другой модификации устройства нагревательный элемент может находиться не только в передней части устройства под пальцами, но и покрывать всю верхнюю поверхность устройства, контактирующую со стопой. Этот вариант возможен при достаточной эффективности работы блоков пьезогенераторов или использовании заряжаемой аккумуляторной батареи или ионисторов.
В другой модификации устройства блок управления может содержать радиоуправляемое реле, позволяющее включать и отключать нагрев, а также регулировать температуру, дистанционно. Например, с помощью смартфона по протоколу «Bluetooth».
Достоинства полезной модели:
Эффективность. Благодаря тому, что в полезной модели для генерации электрической энергии задействованы несколько опорных зон стопы, а также применена многослойная компоновка пьезогенераторов, эффективность устройства выше, чем у существующих решений.
Автоматическая терморегуляция - включение и отключение нагрева в зависимости от температуры окружающей среды. Это повышает комфорт использования устройства, при перемещении человека из открытого пространства в обогреваемое помещение, при резкой смене погоды или пересечении климатических зон. Нет необходимости отключать устройство или снимать обувь.
Для базовой модификации также характерны:
Относительно высокая надежность устройства - отсутствие подвижных механизмов, трущихся деталей и элементов, имеющих относительной небольшой ресурс работы (например, аккумуляторные батареи или электро-генераторы других типов);
Компактность и легкость - лучшая пригодность для реализации в виде универсальной стельки для обуви.
Полная автономность - отсутствие необходимости подключения внешних источников энергии (заряжающих устройств), сменных аккумуляторных батарей и т.п.
Снижение стоимости производства за счет отсутствия лишних компонентов.
Раскрытие и осуществление полезной модели:
Первым существенным признаком, достаточным для достижения указанного выше технического результата, является использование нескольких блоков пьезоэлектрических генераторов (2-3, Фиг. 1), расположенных в разных опорных областях стопы (Фиг 3).
Вторым существенным признаком является наличие в каждом блоке пьезогенераторов по меньшей мере одного элемента (пьезогенератора). Если в одном блоке находятся несколько пьезогенераторов, то располагаться они могут как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной, образуя слои.
Третьим существенным признаком является наличие резистивного нагревательного элемента 1, который питается от электрического тока, вырабатываемого с помощью пьезогенераторов.
Четвертым существенным признаком является наличие в схеме термореле, способного автоматически смыкать и размыкать цепь при достижении заданной температуры.
Работает устройство следующим образом.
Человек, совершая обычные движения при ходьбе или беге, попеременно надавливает стопой сначала на задний блок пьезогенераторов, расположенный в задней части устройства 3 (Фиг 3), а затем переносит центр тяжести на передний блок 2. Под действием веса человека пластины пьезогенераторов начинают деформироваться, в результате чего на их поверхности возникает электрический заряд. Электрический ток, вырабатываемый в обоих блоках пьезогенераторов, по проводникам через термореле направляется на резистивный нагревательный элемент 1, который выделяет тепло и согревает стопу. Биметаллическое термореле замыкает цепь только при температуре окружающей среды ниже комфортной. Поэтому в теплых условиях электрическая цепь находится в разомкнутом состоянии и нагрев не осуществляется. Таким образом происходит автоматическая терморегуляция.