JP6466908B2 - 選択的結合層を有する調理器具 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、「Cookware With Selectively Bonded Layers」と題されて２０１３年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／７８７，０４１号の優先権を主張し、参照によりその全体を本出願に組み込む。

本発明は、概して、調理器具およびその製造方法に関し、特に、改良された調理性能および容易な洗浄を提供する、選択的に結合（bond）させた多層複合構造を有する調理器具に関する。本発明の他の形態は、網形状に近い複合ブランクを、スクラップ損失を最小にするようにして製造するために、材料層をともに結合する方法にも関する。

それぞれの材料の所望の物理的特性を組み合わせた複合材料とするために、様々な材料がともに結合された多層結合複合調理器具を製造することが以前より知られている。例えば、ステンレス鋼の耐食性は、調理面だけでなく、調理器具の外面にも理想的であるが、ステンレス鋼の熱伝導率はそれほど高くない。一方、アルミニウムおよび／または銅は非常に高い熱伝導率を提供するので、例えば鍋、フライパンおよびその他の周知の複合調理用品を提供するべくステンレス鋼に結合される。僅か２、３のものに言及すれば、このような周知の複合調理器具の構造および製造方法が特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている。

結合させたアルミニウムおよび／または銅層は、速やかな加熱のためにより高い熱伝導性を提供するものの、調理面上にホットスポットを生じることもあるので、調理される食品の粘着（sticking）および洗浄のしにくさをステンレス鋼の調理面にもたらし得る。粘着の問題に対処するために、ＰＴＦＥ材料のような非粘着表面も調理表面に適用される。しかし、ＰＴＦＥ調理の下にある面もホットスポットの影響を受けるので、局所的なホットスポットに起因してＰＴＦＥの熱劣化が早まり、これによってその耐用年数が制限されてしまうことになり得る。本発明者はこれまで、複合体において調理器具に加えられる熱を半径方向に伝導する「熱ダム（heat dam）」として働き、従って調理面に沿ったホットスポットが生じるのを防ぐ、熱伝導性の低いステンレス鋼またはチタンの少なくとも一つの結合コア層を有する複合構造を開発してきている。よって、ＰＴＦＥ（など）の非粘着性表面の耐用年数が長くなる。例えば、William A. Grollによる特許文献３、特許文献５および特許文献６を参照されたい。また、金属製の調理具が使用される場合、従来のＰＴＦＥの非粘着表面は擦過により傷つく傾向があるので、耐用年数を延ばすために、非粘着性コーティングに対してはより高い基準の注意を払わなければならないことが知られている。たとえ注意深く使用しても、被覆中の有機物質は自然に分解し、時間が経つにつれてその潤滑性が失われる傾向があるので、ＰＴＦＥコーティングは有限の寿命を有する。

米国特許第４，００４，８９２号明細書 米国特許第６，２６７，８３０号明細書 米国特許第７，８２０，３０４号明細書 米国特許第６，９２６，９７１号明細書 米国特許第７，２７８，２３１号明細書 米国特許第７，９０６，２２１号明細書

本発明の多層複合調理器具は、共に選択的に結合された少なくとも２つの材料層を含む。一実施形態において、調理器具の仕上げられた調理面は、実質的に均等に離間して隆起する複数のディンプルないしはバブルと、隣接する隆起バブル間の平坦面とを有する。隆起バブルを担持する、少なくとも２つの材料層の第１の層は、昇温とともに圧力を加えることにより下にある第２の層に対して結合された固体状態である。結合層の平面に対し法線方向に圧力または力を作用し、昇温させる結果、隆起バブルの領域における第１および第２の層の結合は、隣接するバブル間の平坦面での結合より大きくならない。このように結合に差がある結果、調理レンジ等の加熱による熱エネルギは、平坦面を通した伝導によって伝達されることで、隆起バブルを通して伝導される熱エネルギと比較して大きくなる。このようにして、パンは均一に加熱され、粘着の問題は排除または最小限にされる。

本発明の現在好ましい一実施形態では、複合調理器具は、例えば選択的に結合した３つの材料層を含むフライパンの形態である。この実施形態では、その３層は、ディンプルないしはバブルを担持するステンレス鋼の材料の調理面と、それが選択的に結合されるアルミニウムの材料の内部コア層と、続いてこれが均一に結合されてフライパンの外観を形成しているステンレスの材料の底部層と、から成る。調理面上のディンプルないしはバブルは、選択的結合操作の前に、ステンレス鋼層の外側に配置される穿孔（perforated）テンプレートによって形成される。この３層のフライパンの例では、３層の材料（この場合ステンレス鋼、アルミニウムおよびステンレス鋼）の積層体は互いの上に配置されるが、調理面を形成することを企図して、ステンレス鋼層の外側に隣接して穿孔テンプレートが配置される。アルミニウムおよびステンレス鋼の層はその後に下に位置づけられる。積層したアレイには、例えば１５０００ｐｓｉから３５０００ｐｓｉの間の値の力が加えられる。力は積層された材料層の平面の法線方向に加えられる一方、力を加えている間に積層体は５００°Ｆから１０００°Ｆの間の温度に加熱される。法線方向の加圧および加熱の影響下で、材料層間の固体結合が生じる。昇温はまた、ステンレス鋼の層に対する、特にその外面上に位置づけられる穿孔テンプレートを持つ第１のステンレス鋼の層に対する、内側アルミニウム層の熱膨張を生じさせる。熱膨張したアルミニウム層が第１のステンレス鋼層を加圧することでステンレス鋼がテンプレートの孔または穴内へと外方に変形し、テンプレート内の離間した孔にわたるディンプルないしはバブルが形成される。テンプレートの孔間の平坦なスペースはステンレス鋼の上面に接触し、第１のステンレス鋼の層とその下のアルミニウムの層との非常に強固な結合が達成されるとともに、バブルの領域では、ステンレス鋼とアルミニウムとの結合が最小限となるか、または生じない。アルミニウムとその下にある第２のステンレス鋼の層との間の結合は、それらの間の面が平坦であるために一様に良いものとなる。バブルの領域における結合は、選択的に存在しないかまたは最小化されているので、それらの領域の熱伝導率は同様に減少し、バブル／ディンプルの領域に接触する食品のホットスポットが減少する。

本発明の別の形態は、本明細書に記載される拡散結合プロセスを使用して、バブルのない、様々な材料の複合ブランクを複数形成する方法に関連する。

図１は、本発明の現在好ましい一実施形態を製造するのに使用される、順序付けられた種々の材料層のアレイの模式的断面図である。 図２Ａは、図１と同様の概略断面図であり、加熱とともに垂直方向に加えられる圧力の影響下で行う結合工程における、順序付けられた材料アレイを示す。 図２Ｂは、図２Ａと同様の拡大した模式的断面図であるが、異種の材料層を結合するための穿孔テンプレートを取り外すことで、圧延結合による従来の製造方法と比較してスクラップ損失が最小限であるかまたは全くない、網形状結合ブランクが提供されることを示している。 図３は、本発明の好ましい一実施形態で使用される穿孔テンプレートの平面図である。 図４は、図３の穿孔テンプレートの写真である。 図５は、本発明の選択的結合複合ブランクの写真であり、調理面上のディンプルないしはバブルを示している。 図６は、剥離される図５のアレイブランクの写真である。 図７は、本発明の完成した一実施形態の調理器具の写真であり、調理面上に隆起したディンプル／バブルを示している。 図８は、本発明の方法に使用するための加圧治具を簡略化して示す側面図である。

図１、図２Ａおよび図２Ｂを参照するに、最も簡素な一形態において、本発明は、ステンレス鋼製材料の第１の層２を含んでおり、これはアルミニウムの材料の内部コア層４の上面に位置づけられ、内部コア層４は続いて第２のステンレス材料の上面に位置づけられている。層２、４および６は、好ましくは円形状のディスクであり、続いてフライパン形状に形成するための結合複合ブランクを作製するに適した直径を有している。図１および図２に示す順序付けて積層した材料のアレイにおける第１のステンレス鋼層２の上には、図３および図４にも示されているように、穿孔テンプレート１０が配置されている。穿孔テンプレート１０は、その中央の領域に、閉塞平坦部分１６間に間隔を置いて、離間した複数の貫通孔を含んでいる。テンプレート１０の外縁領域には孔はない。現在好ましい実施形態では、穿孔テンプレート１０の表面積の約５０％が開放貫通孔１４を含む。閉塞部１６に対する貫通孔１４の比率は、テンプレート１０の中央部において、表面積で約２５〜７５％の間で変化したものとすることができる。現在のところ、約５０％の孔率が非常に好ましい（acceptable）ものと思われる。孔は円形とすることができるが、例えば矩形、正方形、六角形など他の形状であってもよい。図面に示された本実施形態では、穿孔テンプレート１０の各貫通孔１４の円形穴径の直径は０．２８７インチであり、孔間の間隔は各穴の中心から０．３７５インチである。中央部分の孔１４は調理器具の調理面に沿ってバブル２０を形成するように企図されたものである一方、外縁部（孔なし）が調理器具の滑らかな側壁の領域を形成することを企図している。

図２Ａは、現在好ましい一実施形態の順序付けたアレイの結合操作を模式的に（正確な縮尺ではなく）示しており、これは、第１のステンレス鋼層２を、アルミニウムのコア層４と第２のステンレス鋼の下位層６とに結合するものである。ここでは、上部プラテン１２ないし１４と下部プラテン８を用い、約１５０００〜３５０００ｐｓｉの圧力下で、穿孔テンプレート１０を含めた積層アレイの上に軸方向の力が加えられる。この力は、積層アレイ１０，２，４，６の平面に対して９０度となる法線方向に加えられる。理想的には約２００００ｐｓｉの圧力を作用させている間、約８００〜９００°Ｆ、より広くは７５０°〜９５０°Ｆの熱も加えられる。その期間は、ステンレス鋼層２、アルミニウム層４およびステンレス鋼層６の間の結合を達成するために十分な時間とされる。加熱および加圧の間、アルミニウム層４は熱膨張し、第１のステンレス鋼層２を押しやって穿孔テンプレート１０の貫通孔１４内に膨張させることで、第１のステンレス鋼層２には複数のディンプルないしはバブル２０が形成される。テンプレート１０もステンレス鋼で形成されることが好ましく、これにより加圧および加熱の間に第１のステンレス鋼層２との結合が形成されないようになる。従って、加圧および加熱による結合操作が完了すると、力が除去されたときに、図２Ａに示すようにテンプレート１０は第１のステンレス鋼層２に結合しておらず、続く結合操作において再使用することができる。

図５は、結合操作後に結合ブランクから穿孔テンプレート１０を除去した平坦ブランクを示し、第１のステンレス鋼層２と、これが結合するアルミニウムコア層４と、そのコア層４に結合する下部の第２のステンレス鋼層６とを備えている。隆起したディンプルないしはバブル２０は、図２Ａ、図２Ｂに示す形成ブランク３０および図５中の写真に見られる。所望の調理器具の完成形状に従って、例えば楕円形、正方形、長方形などの、その他の複合結合ブランクの形状が用いられてもよい。

勿論、結合される材料のシートまたは材料のブランクは、結合前に各材料層の表面が清浄にされているべきものであることがよく知られている。これは、種々の公知の方法、例えば保護雰囲気中において、油分を焼失させるのに対する清浄化技術によって、またはグリットブラストによる表面研磨によって、またはワイヤアブレーションによって、または化学処理によって行うことができる。いずれにせよ、複合ブランクを結合するためのディスクは通常、円形状（または他の所望の形状）であって、その直径は、結合後に調理器具の形状形成を許容するブランクサイズを提供するのに十分なものとされる（調理器具の形状は、スクラップ損失を最小化またはなくしながら調理器具に所望の直径を提供するのに十分な直径とされる）。このように、本発明は、網に近い（near net）サイズの結合複合ブランクを作製するための、特に複合材料の価値を考慮する際のスクラップ損失が非常に少ない経済的な方法を提供する。従来のように、ステンレス鋼、アルミニウムおよびステンレス鋼など材料の幅広のストリップを共に圧延（rolling）結合し、ロール結合ストリップとしてからブランクとする場合、ブランクの周囲のキャリアウェブを形成する範囲外の材料はスクラップとして失われる。このウェブ材料は、スクラップの観点から非常に価値が小さい。ウェブ層は先に圧延により共に結合されているからである。これに対し、本発明では、円形状（または他の形状）の材料のブランクのみが、複合結合ブランクとして形成される。その結果、連続ストリップ材料を用いた従来の圧延結合加工技術のような、キャリアウェブに沿う残存スクラップ複合材料は存在しない。

図６は、第１のステンレス鋼層２をアルミニウムの下地層４から剥離して示し、右手側の下面にいくつかのバブル２０が淡色で表されており、バブル２０の領域では、それらの間の平坦な領域に比較して、ステンレス鋼の第１の層２とアルミニウム層４との間の結合がないこと、または小さいことを示している。

本発明が積層アレイに形成されているディンプルないしはバブル構成をもつこと、従来の圧延結合ではディンプルないしはバブル形状を形成し得ないことに注意することも重要である。ステンレス鋼材料よりも遥かに延性に富むアルミニウム材料は、圧延結合でディンプル効果を生成するようにする圧延力に耐え得ないであろう。アルミニウムは単純に直線的に変形し、ステンレス鋼のような所要のディンプルないしはバブルパターンの仕上がりを生じ得ない。

また、３つの材料のみを共に結合して１つの複合ブランク３０を形成するものとして本発明を説明したが、単一の複合ブランクより多数を結合することにも容易に適合できることが理解されるであろう。従って、穿孔プレートは（使用するのであれば）、複合材料の追加のブランク（その後に仕上げパンに成形することができる）を製造するために、積層アレイのブランク３０の間に配置することが可能である。これは、穿孔プレートを使用することなく、単に種々材料の複合ブランクのスタックを共に結合し、その後に、従来の圧延結合で先に発生するスクラップ材料の浪費なしに、直接的に仕上げ調理器具に成形できるようにすることにも同様に当てはまる。この代替的実施形態では、例えばステンレス鋼（穿孔なし）の固体ディスクを隣接する積層アレイのブランク間に配置することで、加圧および加熱の間に、ブランク隣接積層アレイのブランク間の結合が生じることを防止することができる。例えばステンレス鋼、アルミニウム、銅、チタン等の種々の平坦ディスクが、積層アレイにおいて網に近い形状の複合ブランクを結合するのに使用可能である。

実際に、本発明者は、複合ブランクを結合するために１以上の積層アレイのディスクに対して軸方向クランプ圧力を加える上で、図８の加圧固定具すなわち治具５０を使用することが有用であることを見出した。その固定具は、積層アレイ（複数可）のブランク３０の上下それぞれのディスクに係合するために、対向する２つの重い円形状のプラテンまたはプレート５２を備える。プラテンの周囲に間隔をあけた穴に、複数の頑丈なボルト５４を嵌入させる。ボルトはナット５８を受容するねじ付きの端部５６を有し、締め付けられるとプラテンを共に押しやり、対向プラテン５２間に位置する積層アレイ（複数可）のブランク３０のディスクに対して垂直な方向に力を加えるようになっている。現在の一実施形態では、結合圧力を加えるために１０本のボルト５４を使用している。各ボルト端部にダブルナット５８を使用して、適正な強度が確保されるようにしてもよい。所要のクランプ圧力が得られた後、固定具および積層アレイ（複数可）のブランクを炉に移動させ、酸素を含む大気雰囲気中で所要の温度に加熱することで、積層アレイ（複数可）内の個々のディスクの間の結合が実現される。代替的に、ブランクの積層アレイは、それに隣接して配置される誘導加熱ユニットによって加熱されるようにすることで、炉内で生じる高温によって固定具５０が加熱されることを回避するようにしてもよい。２以上の多層型積層アレイのディスクを結合させる場合には、隣接する積層アレイ間にステンレス鋼ディスクを挿入し、隣接する積層アレイ間の結合が防止されるようにする。

一つの実際の結合テストランでは、各ブランクについてステンレス鋼層、アルミニウム層およびステンレス鋼層の３層の円形状ディスク（直径１４インチ）を用い、３００枚のブランクアセンブリ３０を構成した。３００枚のブランクアセンブリ３０を、プラッタ５２間の加圧固定具５０に積層した。この例では、固定具５０は約６フィートの高さ、鋼製のプラテン５２は約１フィートの厚さが測定された。重量のあるプラテンは、プラテン内の撓みを最小化し、ブランクアセンブリの積層体にわたって均一な圧力分布を提供することで、各ブランクのステンレス鋼−アルミニウム−ステンレス鋼の層の均一な結合を達成した。この例では、固定具５０を、円形のプラテン５２の周囲に均等に配置した１０本の高強度ボルト５４を有するものとした。ボルト５４を締め付けて約２００００ｐｓｉの所望圧力を達成した後、固定具５０を炉に配置し、約８６０°Ｆの温度に加熱したところ、３００枚の積層アレイのブランク３０のすべてについて優れた結合が達成された。所望の網形状（直径）の結合複合ブランクを製造するこの方法の経済性は明らかである。昇温結合工程においては、通常の酸素を含有する雰囲気が許されるように雰囲気を制御する必要はない。また、予備成形ブランクのスタックを誘導加熱ユニットで包囲し、ブランクのみが加熱され、固定具は加熱されないようにすることは好ましい。この手法では、固定具は、誘導加熱ユニットが供給する熱の影響を受けない。

本発明の具体的な実施形体を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本明細書の全体の教示に照らして、それらの詳細に種々の変更および代替を行い得ることを理解するであろう。本明細書に記載された現在好ましい実施形態は、単に説明のためのものであって本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびそのあらゆる均等物の全容で与えられるべきものである。

Claims (9)

1. 少なくとも２つの材料層の選択的結合複合体を含む調理器具であって、前記少なくとも２つの材料層の第１の材料層は、その面上に離間して形成された複数のバブルを有して前記調理器具の調理面を画成しており、前記少なくとも２つの材料層の第２の材料層は前記第１の材料層に結合されており、前記バブルと前記第２の材料層との間の結合の度合いが、前記バブルの中間の領域における前記第１の材料層と前記第２の材料層との間の結合の度合いよりも低いことで、熱伝導率が前記バブルの中間の領域において前記バブルの領域よりも高くなっていることを特徴とする調理器具。
2. 前記調理器具は３層の選択的結合複合体であり、ステンレス鋼の第１の層の調理面、アルミニウムの第２のコア層、および前記アルミニウムの第２のコア層に結合したステンレス鋼の第３の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の調理器具。
3. 調理器具を製造するための選択的結合複合体を作製する方法であって、
   （ａ）第１の平面状材料を提供する工程と、
   （ｂ）第２の平面状材料を提供する工程と、
   （ｃ）第３の平面状材料を提供する工程と、
   （ｄ）複数の孔が形成された穿孔テンプレートを前記第１の平面状材料の上面に提供して配置する工程と、
   （ｅ）前記第１、第２および第３の平面状材料の法線方向に圧力を加える工程と、
   （ｆ）加圧下で前記材料に熱を加える工程と、
   （ｇ）前記第１の平面状材料の面に沿って複数の離間したバブルを形成する工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
4. 前記第１の平面状材料はステンレス鋼であり、前記第２の平面状材料はアルミニウムであり、前記第３の平面状材料はステンレス鋼であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記第１、第２および第３の平面状材料は、平面視で円形状であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記穿孔テンプレートは、それを通る開口の面積が約５０％を占めている穿孔領域を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記工程（ｅ）で加えられる圧力が１５０００ｐｓｉから３５０００ｐｓｉの範囲であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 前記工程（ｆ）で加えられる熱が７５０°Ｆから９５０°Ｆの範囲であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
9. ステンレス鋼の内側層と外側層とに挟まれたアルミニウムの中心層をもつ３層の結合構造を有する調理器具であって、前記ステンレス鋼の内側層の上の調理面が、下側の平坦部分によって囲まれた複数の離間した隆起ディンプルを有し、該隆起ディンプルの領域では、前記内側層と前記中心層との結合が、前記平坦部分と比較して小さいことで、前記隆起ディンプルが前記平坦部分よりも低い熱伝導率を有することを特徴とする調理器具。