具有选择性粘接层的炊具的制作方法
【专利说明】具有选择性粘接层的炊具
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求了 2013年3月15日提交的题目为“具有选择性粘接(bonded)层的炊具”的美国临时专利申请N0.61/787041的优先权，该文献其全部内容由此被引用作为参考。
技术领域
[0003]本发明总的来说涉及炊具及其制造方法，更具体地说涉及具有多层选择性粘接复合结构的炊具，该结构提供改进的烹调性能并且清洁更方便。本发明的另一个方面涉及将多层材料粘接(bonding)在一起来制作出近净成形的复合还件以便减少废料损耗的方法。
【背景技术】
[0004]长期以来已知的是，制造多层粘接复合炊具，其中各种材料粘接在一起以将每种材料的所期望物理特性组合成复合体。例如，不锈钢的耐腐蚀性对于烹调表面以及炊具的外表面而言是理想的，但是不锈钢的导热性相对较低。另一方面，铝和/或铜具有更高的导热性并且已经用来粘接在不锈钢上以提供公知的复合炊具制品例如锅、平底锅等。在美国专利Nos.4004892,6267830和7820304中披露了这些公知的复合炊具结构和制造方法，这里只是提及一些。
[0005]粘接的铝和/或铜层在赋予更高导热性以便加热更快的同时还会导致在烹调表面上的热点，这会使得所要烹调的食物粘连并且使得不锈钢烹调表面更难清洁。也可以将不粘表面例如PTFE材料施加在烹调表面上以解决粘锅问题，但是在PTFE烹调表面下面的表面还是容易出现热点，这些热点会使得PTFE由于局部热点而过早地热退化，因此降低了其使用寿命。因此，我之前已经研制出一种复合结构，它具有至少一层导热性较低的不锈钢或钛粘接芯层，它在复合材料中用作“阻热层”以使得施加在炊具上的热量径向传导，从而防止沿着烹调表面出现热点。因此，PTFE(或类似材料)不粘表面的使用寿命延长。例如参见美国专利Nos.6926971、7278231和7906221，所有都是WiIlian A.Grail的专利。还已知的是，常规PTFE不粘表面在采用金属工具的情况下容易刮坏，因此在这种不粘涂层的情况下必须更加小心以便延长其使用寿命。即使在小心使用的情况下，PTFE涂层的使用寿命也有限，因为在涂层中的有机材料容易随着时间自然退化并且丧失其润滑性。
【发明内容】
[0006]本发明的多层复合炊具包括有选择性粘接(或连接)在一起的至少两层材料。在一个实施方案中，该炊具的最终烹调表面具有多个基本上均匀间隔开的凸起波纹(dimpled)部或鼓泡，并且在相邻凸起的鼓泡之间具有平坦表面。所述至少两层中的带有凸起鼓泡的第一层通过在高温下施加压力固态粘接在下面的第二层上。由于相对于粘接层的表面沿着垂直方向施加的压力或力以及高温，所以在凸起鼓泡区域中在第一层和第二层之间的粘接小于在相邻凸起鼓泡之间的平坦区域之间的粘接。由于这种粘接差异，与通过凸起鼓泡传导的热能相比，来自烹调范围或诸如此似热量的更大量热能通过平坦表面传导传递。这样，平底锅受热均匀，并且凸起鼓泡消除或减小了粘锅问题。
[0007]在本发明的一个当前优选的实施方案中，复合炊具采用平底煎锅形式，例如包括三层选择性粘接的材料。在该实施方案中，这三层包括带有波纹部或鼓泡的不锈钢材料烹调表面，该烹调表面选择性粘接至铝材料内部芯层，该内部芯层又均匀粘接至形成平底煎锅外部的不锈钢材料底层。在烹调表面上的波纹部或鼓泡由多孔模板形成，该多孔模板在选择性粘接操作之前设置在不锈钢层的外侧上。在这个三层平底煎锅的实施例中，将一叠三层材料(在该情况下为不锈钢、铝和不锈钢)彼此层叠放置(一个放在另一个上面)，并且将多孔模板设置于用来形成烹调表面的不锈钢层的外侧并且与之相邻。然后将铝和不锈钢层设置在下方。向层叠排列施加例如15000psi至35000psi的力。该力沿着于层叠材料层的平面垂直的方向施加，在施加力的期间同时将该层叠件加热至500至1000° F。在所施加的垂直力和高温作用下，在这些材料层之间出现固态粘接。高温还使得内部铝层压靠在不锈钢层上尤其是压在具有设置在其外表面上的多孔模板的第一不锈钢层上热膨胀。热膨胀的铝层压靠在第一不锈钢层上，从而使得不锈钢向外变形进入到模板中的通孔或孔中以在模板的间隔开的通孔上形成波纹部或鼓泡。在模板中的通孔之间的平坦空间接触不锈钢的上表面以便在第一不锈钢层和下面的铝层之间实现非常强的粘接(bond)，同时在不锈钢和铝之间的粘接在鼓泡的区域中最少或不存在。在铝和下面的第二不锈钢层之间的粘接相当均匀，这是因为在铝和下面的第二不锈钢层之间是平坦表面。因为在鼓泡区域中的粘接选择地不存在或减小，所以在那些区域中的导热性同样减小，从而减少了在接触鼓泡/波纹部区域的食物上的热点。
[0008]本发明的另一个方面涉及采用在这里所述的扩散粘接方法形成多个没有鼓泡的不同材料复合坯件的方法。
【附图说明】
[0009]图1为在制作本发明一个当前优选实施方案中所使用的顺序排列的各个材料层组的剖面示意图；
[0010]图2A为类似于图1的剖面示意图，显示出在加热情况下在沿着垂直方向施加的压力作用下在粘接步骤期间顺序排列的各个材料层组；
[0011]图2B为类似于图2A的放大剖面示意图，但是去除了多孔模板以便粘接不同的材料层，从而提供与普通卷绕粘接制造方法相比废料损耗最小或没有废料耗损的近净成形粘接坯料；
[0012]图3为用在本发明的一个优选实施方案中的多孔模板的平面图；
[0013]图4为图3的多孔模板的照片；
[0014]图5为本发明的选择性粘接复合坯料的照片，显示出在烹调表面上的波纹部或鼓泡；
[0015]图6为图5的剥离排列坯件的照片；
[0016]图7为本发明一个实施方案的最终炊具的照片，显示出在其烹调表面上的凸起波纹部/鼓泡；并且
[0017]图8为用在本发明的方法中的压合夹紧装置的简化侧视图。
【具体实施方式】
[0018]参照这些附图中的图1、2A和2B，在其中一个最简化的形式中，本发明包括有序材料布置，包括第一不锈钢材料层2，它设置在铝材料的芯层4的上表面上，该芯层设置在第二不锈钢材料层6的上表面上。这些层2、4和6优选为圆盘，其直径适用于制造粘接复合坯料以便随后成形为平底煎锅的形状。如也在图3和4中所示的一样，多孔模板10在图1和2A中所示的顺序层叠的材料布置中设置在第一不锈钢层2的顶部上。多孔模板10包含有在模板10的中央区域中在闭合平坦部分16之间错开的多个间隔开的通孔14。模板10的外边界区域没有任何孔。在当前优选的实施方案中，多孔模板10的表面积的大约50%包含有通孔14。通孔14与闭合部分16的这个表面积比例在模板10的中央区域中可以在大约25-75%之间变化。目前，大约50%的孔洞率似乎是非常可接受的。这些孔可以为圆形或可以是其它形状，例如矩形、方形、六边形等。在这些附图中所示的一个当前实施方案中，在多孔模板10中每个通孔14的圆孔直径为0.287英寸，并且每个孔中心之间的孔间距为
0.375英寸。在中央部分中的孔14用来沿着炊具的烹调表面形成鼓泡20，而外边界(没有孔)用来形成炊具的平滑侧壁区域。
[0019]图2A示意图(未按比例)显示出一个当前优选实施方案的顺序布置结构的粘接操作，该操作将第一不锈钢层2粘接到铝芯层4以及下面的第二不锈钢层6上，其中在大约15000-35000psi的压力作用下借助上压板12或14和下压板8使得轴向施加的力作用在层叠布置结构上，包括多孔模板10，其中该力沿着与层叠结构10、2、4、6的平面成垂直90°方向施加。在施加最好大约为20000psi的压力期间，还施加大约800-900° F或者更宽的是750-950° F的热量，其加热时间足以实现在不锈钢层2、铝层4和不锈钢层6之间的粘接。在加热加压期间，铝层4热膨胀，从而迫使第一不锈钢层2膨胀到多孔模板10的通孔14中以在第一不锈钢层2中形成多个波纹部或鼓泡20。模板10也优选由不锈钢形成，这将不会在加热加压期间与第一不锈钢层2形成粘接。因此，一旦加热加压粘接操作完成，当在去除力时，如图2A所示，模板10将不会粘接在第一不锈钢层2上，并且可以在随后的粘接操作中重复使用。
[0020]图5显示出在粘接操作之后的扁平坯件，其中将多孔模板10从粘接坯件中去除，该粘接坯件包括粘接在铝芯层4上的第一不锈钢层2和粘接在芯层4上的下面的第二不锈钢层6。从在图2A、2B以及在图5中的照片中所示的成型坯件30中显示出凸起的波纹部或鼓泡20。
[0021]然后将在图2A、图2B和图5中所示的圆形三层复合粘接坯件30插入在成型机例如液压成型拉深机或类似机器中，该机器通过将圆形坯30拉深成最终平