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Verweise auf in Bezug dazu stehende Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der US provisorischen Patentanmeldung des gleichen Titels, eingereicht am 4. September 2009 mit der Anmeldungsseriennummer 61/239,869.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung im Aufbau und der Herstellung von Kupferkochgeschirr.
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Während Kupferkochgeschirr auf Grund seiner überlegenen Wärmeleitungsfähigkeiten bevorzugt wird, müssen die mit den Lebensmitteln in Kontakt gelangenden Abschnitte mit einer inerten Beschichtung bedeckt sein, welche verhindert, dass Kupfer und Kupferoxide in die Lebensmittel eindringen, aber auch, dass die Kochoberfläche verschmutzt wird. Herkömmlicherweise werden Zinnbeschichtungen eingesetzt. Jedoch nutzen sich diese im Laufe der Zeit ab. Des Weiteren ist Zinn ein weiches Metall, welches leicht zerkratzt werden kann.
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Ein anderer Lösungsweg besteht darin, Kupfer mit rostfreiem Stahl zu ummanteln, so dass nach der Ausführung die Lebensmittel kontaktierende Oberfläche Stahl ist. Rostfreier Stahl ist zwar relativ haltbar und inert, zerkratzt aber leicht. Wesentlich bedeutender ist, dass rostfreier Stahl ein schlechter Wärmeleiter ist, so dass die Kochleistung nicht so gut ausfällt wie bei mit Zinn überzogenem Kupfer, auch wenn der rostfreie Stahl relativ dünn ist. Während solche mit Metall ausgekleideten Aufbauten einige Schichten Aluminium zwischen dem Kupfer und dem rostfreien Stahl einsetzen, stellt Stahl noch immer die Einschränkung bei der Wärmeübertragung dar. Des Weiteren sind solche Laminate schwierig herzustellen und teuer, weil sie viele Schichten aufweisen, die metallurgisch im Auskleidungsvorgang verbunden werden müssen. Aus diesem Grund ist in Abhängigkeit vom Blechauskleidungsvorgang der Kupferkern nicht immer durchgehend und kann sehr dünn sein, versehen mit Löchern oder Perforationen, durch welche die Aluminiumschichten hindurchextrudiert werden, um sich miteinander unter Einschluss des Kupfers zu verbinden.
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Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kupferkochgeschirr mit verbesserter Haltbarkeit für langlebigen und einfachen Einsatz ohne Aufgabe der thermischen Leistungsfähigkeit bereitzustellen.
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Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, Kupferkochgeschirr bereitzustellen, welches weniger oder kein Öl braucht, um Lebensmittel am Ankleben zu hindern, aber welches auch das Reinigen und die Pflege für den Verbraucher leichter macht.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In der vorliegenden Erfindung wird die erste Aufgabe durch Bereitstellen eines Kochgeschirrartikels gelöst, welcher einen Boden, der eine nach oben gerichtete erste Oberfläche und eine entgegengesetzte, nach unten gerichtete zweite Oberfläche aufweist, eine im Wesentlichen aufrechte Wand umfasst, die den Boden umschließt und an einem oberen Rand endet, um ein Fluid aufnehmendes Gefäß bereitzustellen, wobei der Boden und die Wände im Wesentlichen aus einem inneren Kern aus Kupfermetall und äußeren Ummantelungsschichten aus Aluminium bestehen, welche beide Seiten des Kupferkerns umschließen.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Ummantelungsschichten dieses Kochgeschirrgefäßes anodisiert sind, um eine kratzbeständige Aluminiumoxidbeschichtung bereitzustellen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass solch eine kratzbeständige Aluminiumoxidbeschichtung auf der Innenseite des Fluid aufnehmenden Gefäßes des Weiteren mit einer Antihaftbeschichtung geschützt ist.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Wirkungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher erkennbar aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen davon, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist ein Querschnittaufriss einer ersten Ausführungsform des Kochgefäßes.
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1B ist ein Querschnittaufriss einer zweiten Ausführungsform des Kochgefäßes.
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2A ist ein Querschnittaufriss einer dritten Ausführungsform des Kochgefäßes.
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2B ist ein vergrößerter Querschnittaufriss eines Abschnitts der zweiten Ausführungsform, angezeigt durch das gestrichelte Linienoval in 2A.
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3A–3H veranschaulicht Schritte im Vorgang des Ausbildens des Gefäßes aus 1, 2 und 3 aus einem mit Aluminium ummantelten Kupferblech.
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4 ist ein Querschnittaufriss einer alternativen Ausführungsform des mit Aluminium ummantelten Kupferblechs, welches verwendet werden kann, um das Gefäß aus 1, 2 und 3 auszuformen.
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5A–F veranschaulichen verschiedene optionale Konfigurationen für den Rand des Gefäßes aus 1, 2 und 3.
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6 ist ein Graph, welcher die theoretische Wärmeleistung der neuartigen Pfanne mit einer mit rostfreiem Stahl ummantelten Kupferkernpfanne vergleicht.
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7 sind Diagramme, welche die theoretischen Wärmegradienten über die Pfannen, welche in 6 verglichen werden, bei zwei unterschiedlichen Zeitspannen vergleichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Mit Bezugnahme auf 1 bis einschließlich 7, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche Komponenten in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, wird darin ein neues und verbessertes, anodisiertes, ummanteltes Kupferkochgeschirr, allgemein hierin als 100 bezeichnet, veranschaulicht.
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Nach der vorliegenden Erfindung weist der Kochgeschirrartikel
100 einen ununterbrochenen Kupferkern oder eine Legierung davon
110 auf, welche im Wesentlichen von Ummantelungsschichten aus Aluminium oder einer Legierung davon
121 und
122 auf beiden Seiten umgeben sind, wobei vorzugsweise wenigstens eine Seite und besser beide äußeren Seiten des Aluminiums eine anodisierende Oberflächenendbehandlung aufweisen, wobei wenigstens die mit Lebensmittel in Berührung kommende Schicht aus Alumina oder Aluminiumoxid (Al
2O
3)
131 und
132 (wie in
2A und
2B gezeigt) besteht. Solch eine äußere Beschichtung kann weiter mit relativ haltbaren Antihaftbeschichtungen wie organische und anorganische Antihaftbeschichtungen
141 beschichtet sein. Solche Beschichtungen umfassen typischerweise organische Polymere mit niedrigenergetischer Oberfläche als auch verstärkende Füller und können als aufeinanderfolgende mehrfache Schichten von in geringem Maße unterschiedlicher Zusammensetzung abgelagert sein, um die Haftung und Haltbarkeit zu verbessern. Die Polymere mit niedrigenergetischer Oberfläche sind typischerweise Fluor-Kohlenwasserstoff-Polymere und/oder Silikon enthaltende Polymere. Verschiedene US-Patentschriften lehren Zusammensetzungen von Materialien und Verfahren zur Aufbringung von Antihaft-Beschichtungen auf organischer Basis auf Kochgeschirrgefäße. Diese umfassen
US 3,986,993 an Vassiliou (erteilt am 19. September 1976);
US 4,118,537 an Vary et al. (erteilt am 3. Oktober 1978) ;
US 4,321,177 an Wilkinson (erteilt am 23. März 1982);
US 5,691,067 an Patel (erteilt am 25. Oktober 1997) und
US 6,133,359 an Bate et al. (erteilt am 17. Oktober 2000), welche alle hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die Anti-Haft-Beschichtung
141 schützt die Aluminiumoxidschicht
131 vor Verschlechterung durch säurehaltige Lebensmittel.
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Es sollte weiter geschätzt werden, dass es im Gegensatz zu Kupferkochgeschirr, welches mit rostfreiem Stahl ausgekleidet ist, schwierig ist, eine Anti-Haft-Beschichtung ohne weitere Zwischenlagen hinzuzufügen ohne die thermische Leitung weiter zu verschlechtern, und es würde die Haltbarkeit der Anti-Haft-Beschichtung nicht verbessern, wie dies die hart anodisierte Aluminiumoxidschicht der vorliegenden Erfindung tut.
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Der Kochgeschirrartikel aus 1 und 2 ist ausgebildet, wie in 3A–F gezeigt. Zuerst wird ein im Wesentlichen ebenes Kupferblech 10, welches mit Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung 20 und 21 auf beiden Seiten ummantelt worden ist, um das ummantelte Blech 30 zu erzeugen, in einem zusammenpassenden Matrizensatz, welcher für das Tiefziehen Verwendung findet, angeordnet. Solche Ummantelungsvorgänge, um das Blech 30 zu erzeugen, erfordern allgemein einen gewissen Grad an Kaltwalzen; jedoch kann das Walzen auch heiß erfolgen, eine Mehrzahl an Durchläufen erfordern und/oder zusätzliche Schichten erforderlich machen, um die Haftung zwischen dem Kupfer und den Aluminiumschichten zu fördern. In 3B wird das mit Aluminium ummantelte Kupferblech 30 zwischen zusammenpassenden Matrizen tiefgezogen, um die allgemeine Form des Gefäßes 100 auszubilden.
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Es hat sich herausgestellt, dass anders als die herkömmliche 5-lagige Ummantelung von Stahl/Aluminium/Kupfer/Aluminium/Stahl der Aufbau von 3A schwierig durch herkömmliche Tiefziehvorgänge in Kochgeschirr umzuformen ist. Es wird angenommen, dass mit Stahl ummantelte Konstruktionen der weicheren Kupfer- und Aluminiumlagen auf Grund der Festigkeit der Stahlschicht leichter umzuformen sind, welche üblicherweise so stark wie die Aluminium- und Kupferschichten in der ummantelten Konstruktion ist.
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Dementsprechend bedeutet ein weiterer Aspekt der Erfindung Verbesserungen im Tiefziehvorgang in Verbindung mit der Auswahl von Materialien und Schichtdicken, um die gleichbleibende Produktion des Kochgeschirrs aus 1 und 2 zu ermöglichen. Allgemein wird bevorzugt, dass die äußeren Aluminiumschichten 20 und 21 gemeinsam eine Gesamtstärke aufweisen, welche von 80% bis 200% der Kupferstärke in der Bahn 30 beträgt. Besser noch sollten die Aluminiumschichten 20 und 21 eine gleiche Stärke aufweisen. Jedoch kann das Optimum in diesem Bereich beträchtlich schwanken, und zwar in Abhängigkeit von der Bearbeitbarkeit der Aluminiumlegierung, welche nach dem Kalt- und/oder Heißwalzen und Anlassen eingesetzt wird. Zur Zeit wird angenommen, dass reinere Aluminiumlegierungen für ihre Bearbeitbarkeit beim Ausbilden des Gefäßes 100 vorzuziehen sind.
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Da es wichtig ist, dass das fertig gestellte Kochgeschirr eine gute Oberflächenqualität aufweist, ist es wünschenswert, dass der Tiefziehvorgang, welcher in 3B gezeigt ist, oder das Glätten, wenn dies zum Ausbilden des Gefäßes in 1B eingesetzt wird, minimale Oberflächenrauheit erzeugt, welche nicht wirtschaftlich mit weiteren Polierhandlungen endbehandelt werden kann. Eine solche Polierbehandlung (3D) wird vorzugsweise nach dem Abgraten in Schritt (3C) ausgeführt, um den Rand des Gefäßes 140 auszubilden. Der Schritt, welcher in 3C gezeigt ist, kann auch andere Randbearbeitungsvorgänge, gezeigt in 5B–F, umfassen, wie unten besprochen.
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Es ist auch wichtig, dass der Tiefziehvorgang zu einem gleichförmigen Produkt führt, welches ein niedriges Fehlerniveau aufweist und welches ein beständiges Ausmaß der endgültigen Oberflächenbehandlung wie das Polieren erfordert, um die Rückweiszahl und erneute Bearbeitung, welche anderenfalls notwendig ist, zu minimieren, um eine effiziente Produktion aufzuziehen.
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Es hat sich herausgestellt, dass die obigen Ziele leichter erzielt werden können, wenn das ummantelte Material, gezeigt in 3, eine konstante Stärke aufweist und entweder während des Tiefziehvorgangs, wie in der Heißbearbeitung, oder nachher, als auch genau vor dem Umformen zu Kochgeschirr durch Tiefziehen oder einer Kombination von Ziehen und Glättvorgängen angelassen wird. Wenn das ummantelte Blech 30 nicht vorher angelassen worden ist, ist es erstrebenswert, dass solch ein Anlassschritt für ungefähr 15 bis 30 Minuten bei Temperaturen, die im Bereich von ungefähr 250°C liegen mit entsprechend niedrigeren Zeiten für höhere Temperaturen, wie für ungefähr 5 Minuten bei 430°C, gehalten wird. Jedoch ist es auch wichtig, dass das Anlassen nicht übertrieben wird, da dies zu einer Oberflächenrauheit wie eine ”Orangenschale” nach dem Ausformen des Kochgeschirrs führen kann, welche leicht auf zu große Korngröße im Aluminium vor dem Umformen zurückzuführen ist. Folglich würde in Abhängigkeit vom Ummantelungsvorgang und der Natur des Kochgeschirrumformvorgangs der Anlassvorgang, wenn überhaupt, dementsprechend angepasst sein, um das richtige Gleichgewicht mechanischer Eigenschaften im Kupferkern und in den äußeren Aluminiumschichten zu erzielen.
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Die Notwendigkeit für das Anlassen des ummantelten Metallblechs 30 vor dem Umformen hängt in gewisser Weise von den Ziehbedingungen und der Form der Pfanne ab, das heißt, dass Ziehen mit höherer Geschwindigkeit oder mit höheren örtlichen Spannungsverhältnissen allgemein etwas Anlassen erfordert, um die Kornstruktur in der Aluminiumlegierung wiederherzustellen, welche entweder im Walz- oder Ummantelungsvorgang ausgebildet worden ist. Allgemein ist für ummanteltes Material 30, in welchem die Aluminiumlegierungen Qualitätsklasse 3003 sind, Anlassen für ungefähr 15 Minuten zwischen ungefähr 260 bis 300°C hilfreich, aber für Qualitätsklasse 1050 Aluminium liegt die Anlasstemperatur vorzugsweise bei wenigstens ungefähr 280°C.
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Ein derzeit bevorzugter Aufbau für das ummantelte Material 30, welches eingesetzt wird, um das Gefäß 100 auszuformen, weist einen Kupferkern 10, der ungefähr 1 mm stark ist, und umgebende Aluminiumschichten 20 und 21 auf, die jeweils wenigstens ungefähr 0,4 mm stark sind. Es kann bevorzugt werden, dass diese Aluminiumschichten 20 und 21 etwas stärker sind, das heißt, wenigstens ungefähr 0,5 mm stark, so dass die Gesamtstärke des Aluminiums an beiden Seiten des ummantelten Materials ungefähr gleich oder größer als die Kupferkernstärke ist.
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Des Weiteren kann das Gefäß, welches durch Tiefziehen ausgeformt ist, geglättet werden, um die Wandhöhe zu steigern, während die Kupfer- und/oder die Aluminiumschichten darin dünner gemacht werden, was eine dickere Kupferschicht im Boden zurücklässt, wie in Gefäß 100 in 1B gezeigt. Solch ein Glätten ist wahlweise und durch den Schritt dargestellt, welcher in 3C gezeigt ist. Beim Glätten wird eine Reihe von zusammenpassenden inneren und äußeren Matrizen mit zunehmend schmalerem Spalt um die Gefäßwand eingeschoben, um nach oben zu ziehen, um die Dicke zu verringern.
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Nachdem das Gefäß 100 am Rand 140 abgegratet und/oder endbearbeitet ist, wird es vorzugsweise einer Oberflächenpolitur in dem Schritt, wie in 3E dargestellt, unterzogen, bevor das optionale Anodisieren im Schritt, welcher in 3F gezeigt ist, erfolgt. Zusätzliches Polieren kann nach dem Anodisieren eingesetzt werden. Des Weiteren wird die optionale Anti-Haft-Beschichtung 141 im in 3G dargestellten Schritt aufgebracht, nach welchem eine zusätzliche Beschichtung (3H) auf äußere Oberflächen 132 aufgebracht werden kann, wobei Schicht 142, gezeigt in 2B, hinzugefügt wird. Die Beschichtung 142 kann eine keramische, Emaille- oder Lackbeschichtung für das Erscheinungsbild oder, um zusätzliche Haltbarkeit oder chemische Widerstandsfähigkeit für die Aluminiumoxidschicht 132 beizusteuern, sein. Die Reihenfolge der Schritte, gezeigt in 3G und 3H, kann auch umgekehrt sein. Die Beschichtung 142 kann sich um das gesamte Äußere des Gefäßes 100 oder nur auf die Außenwand 101 erstrecken, wobei der äußere Boden 102 mit Aluminiumoxid 132 beschichtet ist, welches durch Anodisieren der Aluminiumschicht 122 ausgebildet worden ist. Idealerweise ist jede Beschichtung des äußeren Bodens 102 relativ dünn, um eine Beeinträchtigung des Wärmeübergangs von der Flamme oder dem Heizelement auf den Kupferkern 110 zu vermeiden.
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4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform, wo die Aluminiumschichten 20 und 21 wenigstens ungefähr so stark wie die Kupferschicht 11 sind, welche eine Mehrzahl von beabstandeten Perforationen 12 aufweist, um es den gegenüber liegenden Aluminiumschichten zu gestatten, sich im Bereich 13 miteinander während des Ummantelungsvorgangs metallurgisch zu verkleben. Da die Perforationen 12 im Kupfer freigelegt werden können, wenn der Rand 140 endbearbeitet wird, wie in 5A gezeigt, kann es vorzuziehen sein, den Rand 140 ein- oder mehrmals zu falten, wie in 5BC–F gezeigt, um die perforierte Natur der Kupferschicht 11 zu verbergen. Dies kann durch Umfalten des Rands 140 auf die Außenwand 101 des Gefäßes 100 (5C–5F) als auch durch Aufreiben eines dünnen Rings aus Kupfer auf den Rand 140 und anschließendes Versiegeln der umgebenden Aluminiumschichten 121 und 122 miteinander erzielt werden, um den Kupferkern 11 vollständig abzudecken, wie in 5B gezeigt. Alternativ kann der Kupferkern 10 oder 11 durch Herstellen einer einzigen Falte mit Abrunden des Aluminiums am Ende des gefalteten Abschnitts (5D), wo die Kante am Ende der Falte in die Gefäßwand eingeschoben ist (5E), versteckt oder geschützt werden. Alternativ verdreifacht die doppelte Faltung des Randes 140, gezeigt in 5F die Randstärke und versteckt jede Perforation vollständig, die in der Kupferschicht 11 sichtbar sein könnte. In Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des endbearbeiteten Gefäßes könnten gleiche Behandlungen eingesetzt werden, um die Wandstärke am Rand 140 zu erhöhen, wo der Kupferkern 110 ununterbrochen vorliegt, wie in den Ausführungsformen der 1–3 gezeigt.
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Es hat sich sowohl beim Finite-Elemente-Modellieren als auch beim tatsächlichen Testen herausgestellt, dass die neuartige Pfanne unerwartete Vorteile gegenüber dem Kochgeschirr mit Stahlummantelung nach dem Stand der Technik bereitstellt, wobei dieses die folgende Schichtstruktur aufweist: 300-Reihe Güteklasse Rostfreistahl (SS) (1,0 mm)/Al (3003 Legierung) (0,4 mm)/Cu (1 mm)/Al 0,4 mm)/SS (1 mm) mit einer Gesamtstärke von 3,8 mm.
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Dies wurde gegen den neuartigen Aufbau verglichen: anodisiertes Aluminium (Alumina oder Aluminiumoxid) 0,04 mm/Aluminium (3003 Legierung) 0,4 mm/Cu (99,99%) 1 mm/Aluminium (3003 Legierung) 0,4 mm/anodisiertes Aluminium (Alumina oder Aluminiumoxid) 0,04 mm mit einer Gesamtstärke von ungefähr 1,808 mm.
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Im Vergleich zu herkömmlichem Kochgeschirr mit Stahlummantelung sollte beachtet werden, dass sich, obwohl die äußere Aluminiumoxidschicht erwarteterweise eine relativ niedrigere thermische Leitfähigkeit als rostfreier Stahl aufweisen sollte, da es sowohl ein Oxid als auch ein allgemein poröses Material darstellt, die tatsächliche Leistung eher günstig mit einem Finite-Elemente-Modell vergleicht, welches unten besprochen ist.
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Das FEM-Modell simulierte eine heiße Flamme mit 2 Wärmequellen, jede 1/2 Inch breit, 2'' von der Mittellinie der Pfanne weg angeordnet (d. h. die Quellen sind symmetrisch um die Mitte der Pfanne, 4 Inch beabstandet zueinander) mit einer Wärmequellen/Flammentemperatur von 2.200 K und einem Wärmefluss von 80.000 W/m2. Es sollte geschätzt werden, dass in diesen theoretischen Modellen die Pfannen aus Gründen der Einfachheit des genauen Modellierens trocken waren. Es war auch anzunehmen, dass die obere Oberfläche der Pfanne eine Emissivität von 0,85 beim Abstrahlen von Wärme an die umgebende Umwelt aufwies, während die Bodenoberfläche, welche der Flamme zugewandt war, eine Konvektionsrate von 10 W/m2 gegenüber einer durchschnittlichen Umgebung von 1400 K erbrachte.
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6 vergleicht die abgeleitete Temperatur im Zentrum und am Rand der neuartigen Pfanne, welche die Al2O3/Al/Cu/Al/Al2O3 Konstruktion aufweist, mit einer Pfanne, welche die Konstruktion Rostfreistahl/Al/Cu/Al/Rostfreistahl aufweist, über eine sieben (7) Minuten-Periode vom Beginn des Aufheizens, wobei die Wärmequelle als gleichwertig zu einer Flamme modelliert wurde, die einen engen ringförmigen Bereich um das geometrische Zentrum der Pfanne beaufschlagt.
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Es sollte geschätzt werden, dass sie neuartige Konstruktion die Kochtemperatur von ungefähr 200°C im Zentrum in ungefähr 103 Sekunden erreichte, während es mehr als zweimal so lange (250 sec) für die Pfanne nach dem Stand der Technik dauerte.
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Des Weiteren beträgt der Temperaturunterschied zwischen dem Zentrum und dem Rand nur 88°C, wenn die 200°C im Zentrum erreicht worden sind. Im Gegensatz dazu weist die Pfanne nach dem Stand der Technik noch immer einen Temperaturgradienten von 113°C auf, wenn das Zentrum 200°C erreicht.
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7 zeigt den gleichen Trend, in welchem abgetönte Bänder die durchschnittliche Temperatur über die Dicke bei 50 und bei 250 Sekunden darstellen.
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Während die Erfindung in Verbindung mit verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, besteht nicht die Absicht, den Umfang der Erfindung auf die besondere Form, die dargelegt worden ist, zu beschränken, sondern im Gegenteil besteht die Absicht, solche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abzudecken, wie sie innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung, wie sie durch die angeschlossenen Ansprüche definiert ist, fallen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3986993 [0021]
- US 4118537 [0021]
- US 4321177 [0021]
- US 5691067 [0021]
- US 6133359 [0021]
