TWI477657B - 陽極化包層銅廚具 - Google Patents

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Description

陽極化包層銅廚具 發明背景
本發明係有關於一種銅廚具之構造及製造的改良。
雖然銅廚具由於其優異之熱傳遞能力是較佳的，但是食物接觸部份必須以一防止銅與銅氧化物滲漏至食物中以及鏽蝕烹煮表面之惰性塗層覆蓋。以往，已使用了錫塗層，但是，這些錫塗層會隨著時間耗損。此外，錫是一容易刮傷之軟金屬。
另一種方式是以不鏽鋼包覆銅，使得形成後該食物接觸表面是鋼。雖然不鏽鋼是非常耐用且惰性的，它容易刮傷。更重要地，不鏽鋼是一熱之不良導體，因此即使該不鏽鋼非常薄時，烹煮性能亦不如鍍錫之銅一樣好。雖然這包層金屬構造在該銅與不鏽鋼之間配置某些鋁層，但是該鋼仍是一對熱傳遞之限制。此外，這積層在製造方面是複雜的且是昂貴的，具有必須在包覆程序中冶金地結合之許多層。因此，依據該板材包覆程序，該銅心部不一定總是連續的，且可以非常薄，並且具有多數孔或穿孔，該等鋁層擠壓穿過該等孔或穿孔以互相結合，包覆該銅。
因此，本發明之第一目的是提供在不需犧牲熱性能之情形下具有長壽命之較佳耐用性及容易維護性的銅廚具。
此外，本發明之一目的是提供需要比較少或不需要烹調油來防止食物沾黏，以及使消費者更容易清潔與維護的銅廚具。
 發明概要
在本發明中，第一目的是藉提供一種廚具物品來達成，該廚具物品包含：一底部，具有一面向上第一表面及一相對面向下第二表面；實質直立壁，係環繞該底部且終止在一上邊緣以提供一流體容納容器，其中該底部與壁主要包含一銅金屬內心部及一環繞該銅心部之兩側的鋁外包覆層。
本發明之第二方面之特徵在於該廚具容器之外包覆層被陽極化以提供一防刮氧化鋁塗層。
本發明之另一方面之特徵在於在該流體容納容器內部上之該防刮氧化鋁塗層更被一不沾塗層保護。
本發明之以上及其他目的、功效、特徵、及優點將由與添附圖式一起採用之本發明實施例之以下詳細說明變得更明白。
圖式簡單說明
第1A圖是該烹煮容器之一第一實施例的橫截面圖。
第1B圖是該烹煮容器之一第二實施例的橫截面圖。
第2A圖是該烹煮容器之一第三實施例的橫截面圖。
第2B圖是以第2A圖中之虛線橢圓顯示之第二實施例之一部份的放大橫截面圖。
第3A-3H圖顯示在由一鋁包層銅板形成第1、2與3圖之容器之程序中的步驟。
第4圖是可用以形成第1、2與3圖之容器之鋁包層銅板之另一實施例的橫截面圖。
第5A-F圖顯示第1、2與3圖之容器之邊緣之各種任選構形。
第6圖是比較本發明平底鍋與一不鏽鋼包層銅心部平底鍋之理論熱性能的圖。
第7圖是比較在兩不同時段通過在第6圖中比較之平底鍋之理論熱梯度的圖。
 詳細說明
請參閱第1至7圖，其中在各圖中類似符號表示類似之元件，其中顯示一在此大致以100表示之新且改良之陽極化包層銅廚具。
依據本發明，該廚具物品100具有一實質地被鋁或其一合金包圍之銅或其一合金之連續心部110、及在兩側上之包覆層121與122，其中較佳地至少在該鋁一側上，且更佳地在該鋁之兩外側上具有一陽極化防護層，其中至少該食物接觸層是氧化鋁或鋁氧化物(Al2 O3 )131與132(如第2A與2B圖所示)。這種外塗層可再以例如有機或無機不沾塗層141之非常耐用不沾塗層塗覆，這些塗層通常包含低表面能量有機聚合物，以及補強填料且可沈積為稍微不同組成之連續多層，以改善黏著性與耐用性。該等低表面能量有機聚合物通常是氟碳氫化合物聚合物，及/或含矽氧聚合物。各種美國專利教示將以有機為主且不沾之塗層施加至廚具容器之多數組成物及方法，這些專利包括Vassiliou之US 3,986,993(1976年10月19日領證)；Vary等人之US 4,118,537(1978年10月03日領證)；Wilkinson之US 4,321,177(1982年03月23日領證)；Patel之US 5,691,067(1997年10月25日領證)；及Bate等人之US 6,133,359(2000年10月17日領證)，且所有這些專利在此加入作為參考。該不沾塗層141保護該氧化鋁層131不會因酸性食物而劣化。
更應了解的是，與具有不鏽鋼之銅廚具包層對照，在不添加進一步降低導熱率之多數另外的中間層之情形下添加一不沾塗層是困難的，且將不會如同本發明之堅硬陽極化氧化鋁層般改善該不沾塗層之耐用性。
第1與2圖之廚具物品係如第3A-3F圖所示地形成。首先，將一已經以鋁金屬或一鋁合金20與21包覆在兩側之實質平面銅板材10放置在用以深拉伸之對接模具組中。用以產生板材30之這包覆程序通常需要某種程度之冷軋；但是，該軋製亦可是熱軋，配置多道次(pass)及/或配置另外之層以提高在該等銅與鋁層間之黏著性。在第3B圖中，該鋁包層銅板材30在對接模具間被深拉伸以形成容器100之大概形狀。
已發現的是與習知鋼/鋁/銅/鋁/鋼之5層包層不同，第3A圖之構造難以藉習知深拉伸程序形成廚具。吾人相信由於通常在該包層構造中之鋁與銅層一樣厚之鋼層的強度，該較軟銅與鋁之鋼包層結構更容易形成。
因此，本發明之另一方面是結合材料與層厚度之選擇，改善該拉伸程序以便可一致地製造第1圖及第2圖中之廚具。通常，較佳的是該等外鋁層20與21一起具有一板材30中之銅厚度之大約80%至200%的總厚度。更佳地，該等鋁層20與21應具有一相同厚度。但是，依據在冷及/或熱軋及退火後所配置之鋁合金之可加工性，在這範圍內之最適當值可以大幅改變。目前，吾人相信鋁合金越純，它們在形成該容器100中之可加工性越佳。
由於最終廚具具有一良好表面外觀是重要的，所以需要使用第3圖中所示之拉伸程序，或引縮(ironing)以形成第1B圖中之容器，以進一步拋光操作產生無法經濟地精加工的最小表面粗度。這拋光操作(第3D圖)最好在用以形成該容器之邊緣140之步驟(第3C圖)中修邊後實施。第3C圖所示之步驟亦可包括如下所述之第5B-F圖所示之其他邊緣精加工程序。
此外，重要的是該拉伸程序產生一具有低缺陷度且需要一致程度之最後表面精加工，例如，拋光的一致產品，以將廢品及所需之再加工減至最少，以提供有效率之生產力。
已發現的是當第3圖所示之包層材料具有一致厚度且在該拉伸程序期間，例如在熱加工中或在藉深拉伸或拉伸與引縮程序之組合形成為廚具之後以及之前被退火時，更容易地達成上述目的。如果該包覆板材30尚未在先前被退火，則這退火必須在由大約250℃開始之範圍的溫度下存在大約15至30分鐘，且就較高溫度而言，時間相對應地較少，例如在大約430℃為大約5分鐘。但是，亦重要的是退火不可過度，因為這會在形成該廚具後導致一“橘皮”狀表面粗糙外觀，這可能是由於在形成之前在鋁中晶粒尺寸太大的緣故。如此，依照該包覆程序及該廚具形成程序之本質，該退火程序，如果有的話，將相應地被調整以獲得該銅心部與外鋁層中之機械性質的正確平衡。
在形成前將該包覆金屬板材30退火之需要係與該拉伸條件與該平底鍋形狀稍微相關，即，以較高速度拉伸或拉伸至較高局部應變比通常需要若干退火以重整在該軋製或包覆程序中形成之鋁合金中的晶粒結構。通常，對其中鋁合金為3003級之包覆材料30而言，在大約260至300℃之間退火大約15分鐘是有幫助的，但對1050級鋁而言，該退火溫度以至少大約280℃為佳。
用以形成該容器100之包覆材料30的一目前較佳構造具有一大約1mm厚之銅心部10及各至少大約0.4mm厚之環繞鋁層20與21。較佳的是這些鋁層20與21稍厚，即，至少大約0.5mm厚，使得由該包覆金屬之兩側算起之鋁的總厚度大約等於或大於該銅心部厚度。
此外，由深拉伸形成之容器可以被引縮以增加壁高度，且使其中之銅及/或鋁層變薄，在底部留下一較厚銅層，如第1B圖中之容器100所示。這引縮是任選的且以在第3C圖中之步驟表示，在引縮時，將具有遞增較小間隙之一連串對接之內與外模具插在該容器壁四週以向上拉伸，減少該厚度。
在該容器100被修邊及/或在邊緣140處精加工後，在任選之第3F圖所示之步驟中陽極化之前，它最好進行一在由第3E圖所示之步驟中的表面拋光。在陽極化後可配置另外的拋光。此外，在由第3G圖所顯示之步驟中，施加該任選之不沾塗層141，然後可將另一塗層(第3H圖)施加至外表面132，增加第2B圖中之層142。塗層142可以是一供外觀用或用以對該氧化鋁層132提供額外耐用性或耐化學性之陶瓷、琺瑯或清漆塗層。由第3G與3H圖所示之步驟的順序可以顛倒，塗層142可延伸環繞整個容器100外部或只環繞該等環繞壁101，留下塗覆有藉陽極化該鋁層122所形成之鋁氧化物132的外底部102。理想地，在該外底部102上之任何塗層均非常薄，以避免減弱由火焰或加熱元件至該銅心部110之熱傳遞。
第4圖顯示另一實施例，其中該等鋁層20與21至少大約與銅層11一樣厚，該銅層11具有多數分開穿孔12以容許相對鋁層在該包覆程序中冶金地互相結合在區域13處。由於當該邊緣140被修邊時，在該銅中之穿孔12會被暴露出來，如第5A圖所示，所以較佳的是將該邊緣140折疊一或多次，如第5BC-F圖所示，以隱藏該銅層11之穿孔本質。這可藉將該邊緣140折疊在該容器100之外側壁101上(第5C-5F)以及在邊緣140處鉸除一薄銅環且接著將該等環繞鋁層121與122密封在一起，以完全覆蓋該銅心部11，如第5B圖所示。或者，該銅心部10或11可以藉將該鋁旋轉成為該折疊部份之末端(第5D圖)作成一單折而被隱藏或保護，其中在該單折末端處之邊緣被插入容器壁(第5E圖)。或者，第5F圖中所示之邊緣140之雙折使該邊緣厚度成為三倍且完全隱藏可能在該銅層11中被看到的任何穿孔。依據該最終容器之延展性，可使用相同之處理來增加在邊緣140處之壁厚度，其中該銅心部110是連續的，如在第1-3圖之實施例中所示。
由有限元素模型化(Finite Element Modeling)及真實測試已發現的是本發明之平底鍋提供優於先前技術之不鏽鋼包覆廚具的未預期優點，而該先前技術之不鏽鋼包覆廚具具有總厚度為3.8mm之層結構：300系列級不鏽鋼(SS)(1.0mm)/Al(3003合金)(0.4mm)/Cu(1mm)/Al(0.4mm)/SS(1mm)。
這對比於總厚度大約1.808mm之本發明構造：陽極化鋁(氧化鋁或鋁氧化物)0.04mm/鋁(3003合金)0.4mm/Cu(99.99%)1.0mm/鋁(3003合金)0.4mm/陽極化鋁(氧化鋁或鋁氧化物)0.04。
與習知不鏽鋼包覆廚具比較，應注意的是即使可預期該外氧化鋁層具有一比不鏽鋼低非常多之導熱率，且係一氧化物及一大致多孔性材料，真正性能仍與一以下說明之有限元素模型相當有利地比較。
該FEM模型模擬一熱火焰，該熱火焰具有2熱源，各1/2英吋寬且距離該平底鍋之中心線2"設置(即，熱源對稱於該平底鍋中心，分開4英吋)，並且具有一熱源/火焰溫度2,200K及一80,000W/m2 之熱通量。在此應了解的是在這些理論模型中，該等平底鍋是乾的以便進行準確模型化之簡化。同時，亦假設該平底鍋之頂面具有一輻射熱對環境大氣為.85之輻射率，且面向火焰之底面具有對一1400°K之平均環境為10W/m2 之對流率。
第6圖比較在由以模擬為相當於一抵觸圍繞該平底鍋之幾何中心之一窄環狀區域之火焰的熱源開始加熱起七(7)分鐘之期間，在具有Al2 O3 /Al/Cu/Al/Al2 O3 構造之本發明平底鍋與一具有不鏽鋼/Al/Cu/Al/不鏽鋼構造之平底鍋之中心及邊緣處取得的溫度。
在此應了解的是本發明之構造在中心處以大約103秒到達大約200℃之烹煮溫度，而先前技術之平底鍋則花了兩倍以上之時間(250秒)。
此外，當中心到達200℃時，在本發明平底鍋之中心與邊緣間之溫度差僅88℃。相反地，當中心到達200℃時，先前技術之平底鍋仍具有113℃之溫度梯度。
第7圖顯示相同之趨勢，其中陰影帶表示在50及25秒通過該厚度之平均溫度。
雖然本發明已連同各種較佳實施例說明過了，但是並不要將本發明之範疇限制於前述特殊形式，相反地，是要因為可在如由以下申請專利範圍所界定之本發明之精神與範疇內而涵括這些替代例、修改例及等效物。
10．．．銅心部；銅板材
11．．．銅層；銅心部
12．．．穿孔
13．．．區域
20,21．．．鋁金屬或鋁合金；鋁層
30．．．板材
100．．．廚具物品；容器
101．．．環繞壁
102．．．外底部
110．．．心部
121,122．．．包覆層
131,132．．．氧化鋁或鋁氧化物
140．．．邊緣
141．．．不沾塗層
142．．．層；塗層
第1A圖是該烹煮容器之一第一實施例的橫截面圖。
第1B圖是該烹煮容器之一第二實施例的橫截面圖。
第2A圖是該烹煮容器之一第三實施例的橫截面圖。
第2B圖是以第2A圖中之虛線橢圓顯示之第二實施例之一部份的放大橫截面圖。
第3A-3H圖顯示在由一鋁包層銅板形成第1、2與3圖之容器之程序中的步驟。
第4圖是可用以形成第1、2與3圖之容器之鋁包層銅板之另一實施例的橫截面圖。
第5A-F圖顯示第1、2與3圖之容器之邊緣之各種任選構形。
第6圖是比較本發明平底鍋與一不鏽鋼包層銅心部平底鍋之理論熱性能的圖。
第7圖是比較在兩不同時段通過在第6圖中比較之平底鍋之理論熱梯度的圖。
100．．．廚具物品；容器
101．．．環繞壁
102．．．外底部
110．．．心部
121,122．．．包覆層
140．．．邊緣

Claims (20)

  1. 一種廚具物品，包含：a)一底部，具有一與一面向下第二表面相對之面向上第一表面；b)多數實質直立壁，係環繞該底部且終止在一上邊緣以提供一流體容納容器，c)其中該底部與直立壁主要由一銅金屬內心部及一環繞該銅金屬內心部之兩側的鋁及一鋁合金之至少一者之外包覆層所組成，其中所述鋁及一鋁合金之至少一者之外包覆層為至少大約0.4mm厚。
  2. 如申請專利範圍第1項之廚具物品，其中該外包覆層中之至少一者被陽極化以提供一防刮氧化鋁塗層。
  3. 如申請專利範圍第1項之廚具物品，其中該防刮氧化鋁塗層是在該流體容納容器之內部上。
  4. 如申請專利範圍第3項之廚具物品，其中在該流體容納容器內部上之該防刮氧化鋁塗層更被一不沾塗層保護。
  5. 如申請專利範圍第4項之廚具物品，其中該不沾塗層包含一低表面能量有機聚合物。
  6. 如申請專利範圍第5項之廚具物品，其中在該銅心部之兩側上之鋁被陽極化。
  7. 如申請專利範圍第1項之廚具物品，其中該銅心部在該容器之邊緣處暴露出來。
  8. 如申請專利範圍第1項之廚具物品，其中該銅心部在該 容器之邊緣處被該鋁包覆層覆蓋。
  9. 一種廚具物品，包含：a)一底部，具有一與一面向下第二表面相對之面向上第一表面；b)多數實質直立壁，係環繞該底部且終止在一上邊緣以提供一流體容納容器，c)其中該底部與直立壁包含：i)一銅金屬外之內心部；ii)環繞該銅金屬內心部之兩側的鋁包覆層，所述鋁包覆層為至少大約0.4mm厚；iii)一環繞該鋁包覆層之兩側的鋁氧化物塗層。
  10. 如申請專利範圍第9項之廚具物品，更包含一在該鋁氧化物塗層上在該面向上第一表面上之不沾塗層。
  11. 如申請專利範圍第9項之廚具物品，其中該銅心部在該容器之邊緣處暴露出來。
  12. 如申請專利範圍第9項之廚具物品，其中該銅心部在該容器之邊緣處被該鋁包覆層覆蓋。
  13. 如申請專利範圍第10項之廚具物品，其中該銅心部在該容器之邊緣處被該鋁包覆層覆蓋。
  14. 如申請專利範圍第10項之廚具物品，其中該銅心部在該容器之邊緣處暴露出來。
  15. 如申請專利範圍第10項之廚具物品，其中該銅心部具有一至少大約1mm之厚度。
  16. 如申請專利範圍第10項之廚具物品，其中在該銅心部之 兩側上之鋁包覆層的總厚度為該銅心部之厚度的至少80%。
  17. 如申請專利範圍第16項之廚具物品，其中該銅心部具有一至少大約1mm之厚度。
  18. 一種形成一廚具物品之方法，該方法包含以下步驟：a)提供一主要由銅所組成之金屬板材，該銅具有一至少大約1mm厚之厚度且在兩表面上被鋁及一鋁合金之至少一者包覆；b)深拉伸該鋁包覆銅板材以形成一可保持一流體之容器，其中在容器上的所述鋁及一鋁合金之至少一者之包覆層為至少大約0.4mm厚；c)將包覆在該容器之兩側上之暴露鋁陽極化，以形成一鋁氧化物薄層。
  19. 如申請專利範圍第18項之形成一廚具物品之方法，更包含將一不沾塗層沈積在該鋁氧化物上在該容器之流體保持內表面上的步驟。
  20. 如申請專利範圍第18項之形成一廚具物品之方法，其中該不沾塗層包含一低表面能量有機聚合物。
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