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CN111329357B - 具有石墨芯的炊具 - Google Patents

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CN111329357B CN201911307787.5A CN201911307787A CN111329357B CN 111329357 B CN111329357 B CN 111329357B CN 201911307787 A CN201911307787 A CN 201911307787A CN 111329357 B CN111329357 B CN 111329357B
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Abstract

提供由结合的多层复合材料制成的炊具，其具有至少一个上金属层，其上形成有多个向上突出的、间隔开的凹窝的下金属层，以及布置在该至少一个上金属层和下金属层之间的石墨芯层。石墨芯层具有延伸穿过石墨层的间隔开的多个孔。该多个凹窝延伸穿过多个孔，并且该多个凹窝冶金结合到至少一个上金属层，并且下金属层的外部部分冶金结合到至少一个上金属层。该至少一个上金属层具有结合到铝的子层的不锈钢或钛层。还公开了一种制造结合的多层复合炊具的方法。

Description

具有石墨芯的炊具
技术领域
本发明总体上涉及多层结合炊具，尤其涉及在冶金结合在一起的至少两个金属层之间具有穿孔石墨芯层的多层结合炊具。还公开了一种使用固态结合技术制造炊具的方法。
背景技术
长期以来已知的是，制造多层结合复合炊具，其中各种材料结合在一起以将每种材料的期望物理特性组合到复合体中。例如，不锈钢的耐腐蚀性对于烹饪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/或铜提供高得多的导热性，并且已经结合到不锈钢上以提供众所周知的复合炊具制品，例如壶、锅等。多层结合炊具是本领域已知的，如在许多专利中所示，例如：授予Ulam的美国专利4,246,045和4,167,606；以及授予Groll的美国专利8,133,596和6,267,830。这些专利说明了多层结合炊具的制造，该炊具具有不锈钢外层，该不锈钢外层结合到较高传导性的铝和/或铜的中间层。这些不同材料的层之间的结合通常通过常规的辊压结合技术来实现，该技术使用辊压结合到不锈钢外部条带的铝和/或铜条带。
Groll等人的美国专利9,078,539中公开了一种固态结合技术，其使用经时施加的高静压和热来制造例如制造的炊具中的不锈钢–铝–不锈钢组合物的多个复合坯料。本领域中持续需要使用固态结合技术来生产炊具，用于减轻重量和改善炊具的热特性。
发明内容
鉴于本领域中的现有需要，期望开发使用固态结合技术生产炊具的新方法。还期望提供通过这些方法制造的炊具，其中该炊具与通过固态结合技术制造的现有炊具相比具有减轻的重量和改善的热特性。
根据本公开的一些实施方案或方面，炊具可以由结合的多层复合材料制成。炊具可以具有至少一个上金属层，在其上形成有多个间隔开的向上突起的凹窝(dimple)的下金属层，以及布置在至少一个上金属层和下金属层之间的石墨芯层。石墨芯层可以具有多个延伸穿过其中的间隔开的孔。多个凹窝可以延伸穿过多个孔，并且多个凹窝可以冶金结合到至少一个上金属层。
根据本公开的一些实施方案或方面，该至少一个上金属层可以具有结合到铝的子层的不锈钢或钛的层。至少一个上金属层可以由1000系列的铝合金制成，例如1100合金，或者由镀铝材料制成。下金属层可以由不锈钢或钛制成，并且多个凹窝可以结合到至少一个上层的铝合金。下金属层的不锈钢可以是铁磁级的不锈钢或其它耐腐蚀级的不锈钢。石墨芯层可以由热解石墨制成。
根据本公开的一些实施方案或方面，下金属层可以具有中心部分和围绕中心部分的外部部分，其中多个凹窝形成在中心部分中。中心部分可以相对于外部部分凹陷以容纳石墨芯层。外部部分可以直接结合到至少一个上金属层以形成炊具的完全结合的侧壁。
根据本公开的一些实施方案或方面，由结合的多层复合材料制成的炊具可以具有预结合到铝的子层的不锈钢或钛的上层。炊具还可以具有石墨芯层，该石墨芯层具有穿过其中形成的多个间隔开的孔。炊具还可以具有不锈钢或钛的下层，该下层具有中心部分和围绕中心部分的外部部分，该中心部分包括多个向上突出的、间隔开的凹窝，该凹窝延伸穿过石墨芯盘中的多个孔。中心部分可以相对于外部部分凹陷。外部部分可以结合到铝的子层，并且多个凹窝可以结合到铝的子层。
根据本公开的一些实施方案或方面，铝的子层由1000系列的铝合金制成，例如1100合金，或由镀铝材料制成。下层可以由铁磁级不锈钢或其它耐腐蚀级不锈钢制成。石墨芯盘可以由热解石墨制成。
根据本公开的一些实施方案或方面，制造炊具的方法可以包括(a)提供包含铝的上金属盘；(b)提供石墨芯盘，该石墨芯盘具有穿过其中的多个间隔开的孔；(c)提供不锈钢或钛的下金属盘，该下金属盘在下金属盘的中心部分中具有多个向上突出的、间隔开的凹窝，外部部分围绕中心部分，其中中心部分相对于外部部分凹陷；(d)将在骤(a)-(c)中提供的盘堆叠成坯料组件，使得石墨芯盘被容纳在中心部分内，由此下金属盘中的多个凹窝与石墨芯盘中的多个孔对齐并穿过该多个孔，其中该多个凹窝具有延伸到石墨芯盘上表面之上的上端部分，使得上金属盘的下表面接触下金属盘的外部部分的上表面和多个凹窝的上端部分；以及(e)通过在垂直于坯料组件中的盘的平面的方向上施加力来压制坯料组件，并且同时加热坯料组件以实现坯料组件中的盘的金属材料之间的冶金结合，以提供结合的坯料组件。该方法还可以包括(f)冷却结合的坯料组件；以及(g)将结合的坯料组件形成为炊具。
根据本公开的一些实施方案或方面，具有多层结合的复合壁结构的炊具可以具有上预结合层和结合到其上的第一铝层，该上预结合层具有限定炊具内表面的不锈钢或钛层。炊具还可以具有芯层，该芯层具有中心石墨盘，该中心石墨盘具有以图案化阵列形成的多个间隔开的孔。芯层还可以具有围绕石墨盘的第二铝环形外芯层。芯层可以面对第一铝层。炊具还可以具有面向芯层并限定炊具外表面的不锈钢或钛的下层。不锈钢或钛的下层可以具有以图案化阵列形成在其中的多个凹窝，以匹配形成在石墨盘中的孔的图案化阵列，使得不锈钢或钛的下层的凹窝可以由此与炊具的由石墨盘占据的中心区域中的第一铝层形成结合。限定侧壁并包括不锈钢或钛的上层和下层的炊具的周边区域可以借助于第一和第二铝层连续地结合在一起。
根据本公开的一些实施方案或方面，由结合的多层复合材料制成的炊具可以具有芯构造，该芯构造包括石墨中心芯盘和围绕该石墨中心芯盘的铝环形外芯层，该石墨中心芯盘具有穿过其形成的多个间隔开的孔。炊具还可以具有上预结合层，该上预结合层具有结合到下铝盘的不锈钢或钛的上盘。下铝盘可以结合到铝环形外芯层，该外芯层具有不锈钢或钛的下层，该下层具有中心部分，该中心部分具有形成在其中的多个向上突出的、间隔开的凹窝。该凹窝可以延伸穿过石墨中心芯盘中的孔，并且可以结合到上预结合层的下铝盘。下不锈钢或钛层还可具有围绕凹窝并结合到铝环形外芯层上的外部部分。
在参考附图考虑以下描述和所附权利要求书之后，本文描述的炊具的这些和其它特征和特性以及制造这种炊具的方法将变得更加明显，所有附图形成本说明书的一部分，其中在各个附图中相同的附图标记表示对应的部分。然而，应当清楚地理解的是，附图仅用于说明和描述的目的。因此，与本文所公开的实施方案相关的具体尺寸和其它物理特性不应被认为是限制性的。此外，应当理解，本公开可以采用各种可替代变型和步骤顺序，除非有明确的相反说明。
附图说明
图1是根据本公开的一些实施方案或方面的坯料组件的分解侧视剖面图；
图2是图1的坯料组件的分解侧视剖面图，其中芯层示出为处于组装状态；
图3是图1的坯料组件的组装侧视剖面图；
图4是图3中所示的细节A的放大图；
图5是由图1的结合的坯料组件制成的成形煎锅形状的剖面图；
图6是图5中所示的细节B的放大图；
图7是图5中所示的细节C的放大图；
图8是根据本公开的其它实施方案或方面的坯料组件的分解侧视剖面图；
图9是示出为没有间隔件的图8的坯料组件的组装侧视剖面图；
图10是图9中所示的细节D的放大图；
图11是由图9的结合的坯料组件制成的成形煎锅形状的剖面图；以及
图12是图11中所示的细节E的放大图。
在图1-12中，除非另有说明，相同的符号表示相同的部件。
具体实施方式
如在说明书和权利要求书中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确的指示。
为了下文描述的目的，术语“端部”、“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及其派生词应与本公开在附图中取向相关。然而，应当理解，本公开可以采用各种可替代变型和步骤顺序，除非有明确的相反说明。
说明书和权利要求书中使用的所有数字和范围应被理解为在所有情况下都被术语“约”修饰。“约”是指所述值的正负百分之二十五，例如所述值的正或负百分之十。然而，这不应被认为是对在等同原则下对值的任何分析的限制。
除非另有说明，本文公开的所有范围或比率应理解为包括开始值和结束值以及包含在其中的任何和所有子范围或子比率。例如，所述范围或比率“1至10”应被认为包括最小值1和最大值10之间(且包括端值)的任何和所有子范围或子比率；即，以最小值1或更大值开始且以最大值10或更小值结束的所有子范围或子比率。本文公开的范围和/或比率表示在指定范围和/或比率上的平均值。
除非另有说明，本文提及的所有文献，例如但不限于授权专利和专利申请，都被认为是“通过引用并入”其全部内容。
术语“第一”、“第二”等不是要指任何特定顺序或时间顺序，而是指不同的条件、特性或元件。
术语“至少”与“大于或等于”同义。
如本文所用，“至少一个”与“一个或多个”同义。例如，短语“A、B和C中的至少一个”是指A、B或C中的任何一个，或A、B或C中的任何两个或更多个的任何组合。例如，“A、B和C中的至少一个”仅包括一个或多个A；或仅一个或多个B；或仅一个或多个C；或一个或多个A以及一个或多个B；或一个或多个A以及一个或多个C；或一个或多个B以及一个或多个C；或一个或多个所有的A、B和C。
术语“邻近”是指“接近”。
术语“包括”与“包含”同义。
如本文所用，术语“平行”或“基本上平行”是指两个物体，例如细长物体并且包括参考线，之间的相对角度(如果延伸至理论交点)，为0°至5°、或0°至3°、或0°至2°、或0°至1°、或0°至0.5°、或0°至0.25°、或0°至0.1°，其中包括所列举的值。
如本文所用，术语“垂直”或“基本垂直”是指两个物体在其实际或理论交点处的相对角度为85°至90°、或87°至90°、或88°至90°、或89°至90°、或89.5°至90°、或89.75°至90°、或89.9°至90°，其中包括所列举的值。
如本文所用，术语“固态结合”是指使用高压(通常超过5,000psi)和高温(通常超过600℉)将两个或多个金属或金属合金的堆叠层结合在一起的方法，其中高压以法向或垂直方向施加，即相对于堆叠层的平面成90°。
如本文所用，术语“冶金结合”或“冶金结合的”是指在相似或不相似的材料之间形成的结合，其没有空隙或间断。
参考附图，图1-4示出了用于制造本发明的炊具的一些实施方案的坯料组件50的各种视图。在一些实施方案或方面中，每个坯料组件50可用于形成一件炊具，例如图5-7中所示的壶或煎锅。如本文所述，坯料组件50由多个堆叠的盘或层形成，该多个堆叠的盘或层冶金结合在一起以形成整体坯料组件50。在一些实施方案或方面中，多个堆叠的盘或层可以堆叠为使得单独的盘基本上彼此平行。然后，可使用固态结合技术将堆叠的组件结合在一起，其中使用高压(通常超过5,000psi)和高温(通常超过600℉)来结合堆叠的板。期望地，在法向或垂直方向上，即相对于堆叠层的平面成90°施加高压。结合的层构成坯料组件50。
继续参考图1-4，坯料组件50具有至少一个上金属盘或层52(下文中称为“上金属层52”)和至少一个下金属盘或层64(下文中称为“下金属层64”)。芯盘或芯层57(下文中称为“芯层57”)位于上金属层52和下金属层64之间。上金属层52的上表面或顶面形成炊具的内表面，而下金属层64的下表面或底面形成炊具的外表面。
继续参考图1-4，上金属层52可以是具有堆叠在第二层或子层52b顶部上的第一层52a的复合材料。第一层52a限定炊具的烹饪表面，而第二层52b被选择用于与芯层57和下金属层64的至少一部分结合，如本文所讨论的。因此，第一层52a被选择为使得其具有炊具的烹饪表面所需的期望的抗刮性、耐磨性和热性能。第二层52b的材料被选择为使得其对芯层57和下金属层64的至少一部分的金属材料具有结合亲和力，如本文所讨论的。在一些实施方案或方面中，第一层52a可由食品级不锈钢形成，而第二层52b可由铝形成。第一层52a的不锈钢可以是例如400系列不锈钢，例如436不锈钢。在一些实施方案或方面中，第一层52a的不锈钢可以是适合用作食品制备表面的任何耐腐蚀不锈钢合金。在另外的实施方案或方面中，第一层52a可以由适合用作食物制备表面的钛合金制成。第二层52b的铝可以是例如1000系列铝合金，例如1100铝合金。在一些实施方案或方面中，第二层52b的铝可以是7072铝合金或具有冶金结合到高强度铝合金芯材料的高纯度铝表面层的镀铝材料。
在一些实施方案或方面中，第一层52a和第二层52b可以预结合以形成预结合的上金属层52，例如使用固态结合技术或辊压结合技术。在其它实施方案或方面中，第一层52a和第二层52b可在形成坯料组件50的结合过程期间结合在一起。将上金属层52形成为具有第一层52a和第二层52b的预结合结构，与如果上金属层52没有被预结合的情况相比，在不锈钢第一层52a和铝第二层52b之间，特别是在炊具的石墨层60上方的中心区域中，提供了改进的结合强度。石墨层60在固态结合过程期间不能有效地将轴向力传递到铝-不锈钢界面。因此，上金属层52的预结合是有益的。
上金属层52的第一和第二层52a、52b可以是直径约14英寸的圆盘，以形成用于制造直径为10英寸的煎锅的近终尺寸坯料。在其它实施方案或方面中，上金属层52的第一和第二层52a、52b可以是直径从约5英寸到约20英寸的圆盘，以形成各种尺寸的炊具。在一些实施方案或方面中，第一层52a的厚度可为约0.010英寸(0.254mm)至约0.040英寸(1.02mm)，例如约0.015英寸(0.381mm)。在一些实施方案或方面中，第二层52b的厚度可以是约0.010英寸(0.254mm)至约0.080英寸(2.04mm)，例如约0.035英寸(0.889mm)。本领域普通技术人员将容易理解，可以增加或减小上金属层52的第一和第二层52a、52b的直径和厚度，以分别制造直径和厚度更大或更小的煎锅。
继续参考图1-4，下金属层64具有中心部分64a和围绕中心部分64a的外部部分64b。在一些实施方案或方面中，外部部分64b完全围绕中心部分64a。中心部分64a可以是基本上圆形的并且定位在外部部分64b的中间。中心部分64a和外部部分64b可以是共面的。下金属层64a具有多个向上突出的、间隔开的凹窝66(以下称为“凹窝66”)，其从下金属层64的上表面63向上延伸。在一些实施方案或方面中，凹窝66可以设置在下金属层64的中心部分64a中，而外部部分64b没有凹窝66。凹窝66可以以有序阵列布置或随机分布在中心部分64a上。例如，凹窝66可以以圆形阵列布置，相邻凹窝66之间具有相等或不相等的间距。在各种实施方案或方面中，凹窝66的密度(即，每单位面积的凹窝66的数量)可以在整个中心部分64a上是均匀的，或者其可以在中心部分64a的不同部分之间变化。例如，凹窝66的密度可以在下金属层64的径向方向上增加或减小。在一些实施方案或方面中，凹窝66可以设置成一组或多组凹窝66。凹窝66可以具有相对于彼此相同的尺寸(即，直径)或不同的尺寸。
继续参考图1-4，凹窝66可以通过在下金属层64的下表面或底表面65上冲压多个冲压压痕68而形成。压痕68使下金属层64的形状局部变形，使得相应的凹窝66形成在上表面63上。以这种方式，压痕凹窝68在下金属层64的下表面65上形成多个空腔，而相应的凹窝66在下金属层64的上表面63上形成凸起的突出部。在一些实施方案或方面中，凹窝66可具有高于下金属层64的上表面63约0.010英寸(0.254mm)至约0.100英寸(2.54mm)的高度，例如约0.020英寸(0.508mm)。在一些实施方案或方面中，如本文所述，将凹窝66的高度选择为略高于石墨芯层的厚度，以使凹窝66的峰穿过石墨芯层中的孔而突出。凹窝66可具有约0.050英寸(1.27mm)至约0.250英寸(6.35mm)的直径，例如约0.125英寸(3.175mm)。
下金属层64可以由具有炊具外表面所需的期望抗刮性、耐磨性和热性能的材料制成。如本文所讨论的，下金属层64的材料被选择为使得其对芯层57和上金属层52的至少一部分的金属材料具有结合亲和力。在一些实施方案或方面中，下金属层64可以由铁磁性不锈钢(例如400级)制成，以使成品炊具适合用于感应烹饪设备。下金属层64的不锈钢可以是例如436不锈钢。在一些实施方案或方面中，第一层52a的不锈钢可以是适合用作食物制备表面的任何不锈钢合金。在另外的实施方案或方面中，下金属层64可以由适合用作食物制备表面的钛合金制成。下金属层64的材料可选择为具有与上金属层52的材料性质类似或相同的材料性质。
下金属层64可以是直径约14英寸的圆盘，以形成用于制造直径为10英寸的煎锅的近终尺寸坯料。在其他实施方案或方面中，下金属层64可以是直径从约5英寸到约20英寸的圆盘，以形成各种尺寸的炊具。在一些实施方案或方面中，下金属层64的厚度可以是约0.010英寸(0.254mm)至约0.100英寸(2.54mm)，例如约0.015英寸(0.381mm)。本领域普通技术人员将容易理解，可以增加或减少下金属层64的直径和厚度，以分别制造直径和厚度更大或更小的煎锅。
继续参考图1-4，芯层57设置在上金属层52和下金属层64之间。芯层57具有中心石墨盘或层60(下文中称为“石墨层60”)，其具有穿过其形成的多个间隔开的孔62。芯层57还具有围绕石墨层60的环形外芯盘或层58(下文中称为“外芯层58”)。外芯层58具有成形为在其中容纳石墨层60的中心开口59。在一些实施方案或方面中，中心开口59可具有圆形形状，其直径等于或略大于圆形形状的石墨层60的直径。例如，中心开口59可具有约3英寸(76.2mm)至约12英寸(305mm)的直径，例如约7英寸(178mm)。石墨层60可以具有中心开口59的直径约90-99.9％的相应直径。在其它实施方案或方面中，中心开口59可以具有与石墨层60的几何形状相对应的任何期望的几何形状。
如本文所讨论的，外环形芯盘58可由对上金属层52和下金属层64的金属材料具有结合亲和力的材料制成。在一些实施方案或方面中，外芯盘58可由例如1000系列铝合金制成，例如1100铝合金。在一些实施方案或方面中，第二层52b的铝可以是7072铝合金或镀铝材料。石墨层60可由热解石墨制成，以便主要在径向(而不是轴向)方向上传递热能。以这种方式，烹饪表面可以被均匀地加热，同时避免热点。优选选择石墨，因为其具有高热导率系数(约500-1500W/mK，而铝约220W/mK，铜约340W/mK)。在限定烹饪表面的XY平面的方向上，热解石墨与铜相比具有约两倍的热导率。热解石墨也是铜的重量的约1/6倍，并且与铜相比在Z方向上用作绝缘体。石墨层60有效地将热量均匀地散布在烹饪表面上，同时阻止在垂直于烹饪表面的方向上的热量流动。非旨在受理论的约束，已经发现，石墨层60的存在增加了对电流的阻抗，从而与没有石墨层60的炊具相比增加了感应加热的有效性。
继续参考图1-4，每个间隔开的孔62延伸穿过中心石墨盘60上表面和下表面之间的材料。石墨层60中孔62的尺寸和布置被选择为对应于下金属层64上的凹窝66的尺寸和布置。以这种方式，凹窝66可被布置成使得所有凹窝66与所有孔62对齐(即，对准)，每个凹窝66被容纳在相应的孔62内。例如，在凹窝66被布置成圆形阵列且凹窝66在下金属层64的中心部分64a上具有均匀间隔的实施方案中，孔62具有对应的圆形阵列布置，使得凹窝66可被容纳在孔62内。在一些示例中，孔62的数量可大于凹窝66的数量，使得一些孔62中不具有凹窝66。在固态结合过程期间，空的孔62可以使得下金属层64的表面光洁度不规则。在一些实施方案或方面中，空的孔62的选择性放置可用于限定下金属层64的表面光洁度中的不规则图案，该不规则图案限定标记，例如品牌识别。孔62可具有约0.050英寸(1.27mm)至约0.250英寸(6.35mm)的直径，例如约0.125英寸(3.175mm)。
在一些实施方案或方面中，外芯层58可以是直径约14英寸的圆盘，以形成用于制造直径10英寸的煎锅的近终尺寸坯料。在其他实施方案或方面中，外芯层58可以是直径从约5英寸到约20英寸的圆盘以形成各种尺寸的炊具。在一些实施方案或方面中，外芯层58的厚度可为约0.010英寸(0.254mm)至约0.250英寸(6.35mm)，例如约0.016英寸(0.406mm)。石墨层60的厚度可以等于或略大于外芯层58的厚度。期望地，石墨层60的厚度等于外芯层58的厚度。本领域普通技术人员将容易理解，可以增加或减少外芯层58和石墨层60的直径和厚度，以分别制造直径和厚度更大或更小的煎锅。在一些实施方案或方面中，石墨层60的厚度被选择为小于下金属板64的凹窝66的高度。以这种方式，当凹窝66插入石墨层60上的相应的孔62中时，凹窝66的峰可以突出到石墨层60的上表面之上。
已经描述了根据本公开的各种实施方案或方面的坯料组件50的结构，现在将描述使用坯料组件50制造炊具的方法。在结合之前，坯料组件50的层经历适当的表面处理步骤，例如脱脂、通过化学或机械方法的表面磨蚀等。在适当的表面处理之后，通过堆叠上金属层52、芯层57和下金属层64形成未结合的坯料组件50。在图1-4所示的坯料组件50的情况下，芯层57可以堆叠在下金属层64的上表面63上。芯层57的石墨层60布置成使得石墨板60中的孔62与下金属板64的中心部分64a中的凹窝66对齐。凹窝66的峰被配置成当凹窝66容纳在石墨层60的孔62中时，该峰延伸到石墨层60的上表面之上。芯层57的外芯层58布置成使得其围绕石墨层60并且使得外芯层58的下表面面向下金属层64的上表面63。
上金属层52堆叠在芯层57上方，使得第二层52b的下表面与外芯层58和石墨层60的上表面相对。期望地，上金属层52、芯层57和下金属层64对齐，使得每层的中心共享公共轴线。在一些实施方案或方面中，可以堆叠层，使得它们的中心彼此偏移。当堆叠时，上金属层52、芯层57和下金属层64基本上彼此平行。为了提高制造效率，多个未结合的坯料组件50可以堆叠在彼此上方，在相邻的坯料组件50之间具有或不具有间隔层。
然后，将坯料组件50或多个堆叠的坯料组件50放置在压制设备(未示出)中，以经由固态结合技术在相对于坯料组件50中的层的平面的法向或垂直方向上施加载荷或压力。结合预切割近终型板坯料的固态结合技术不仅减少了迄今在常规辊压结合制造复合炊具中遇到的废料损失，而且允许使用其他材料来制造多个复合材料，其已经被证实对于辊压结合来说是困难的、不可能的和/或昂贵的。例如，固态结合允许使用与传统辊压结合中其它可能不锈钢不同等级的不锈钢，以便降低材料成本。此外，固态结合还允许包封诸如石墨的材料，否则这些材料不能结合到不锈钢。
当处于5,000和20,000psi之间的压力下时，在约500℉和1,000℉之间将热施加至一个或多个坯料组件50足够的时间(约1-4小时)，以在一个或多个坯料组件50中的金属层之间实现固态结合(即，冶金结合)。在固态结合过程期间，外芯层58的下表面与(1)下金属层64的外部部分64b的上表面63和(2)上金属层52的第二层52b的下表面冶金结合。此外，由于凹窝66的峰延伸到芯层57的上表面之上，凹窝66与上金属层52的第二层52b的下表面冶金结合。因此石墨层60在其上侧和下侧上完全包封在上金属层52和下金属层64之间，外芯层58在其横向侧上完全包围石墨层60。
然后，将每个坯料组件50从压制设备中移除并使其冷却。在一些实施方案或方面中，冷却可以通过暴露于环境空气或通过使用冷却剂，例如加压气流或液流来实现。
在固态结合之后，结合的坯料组件50在拉延压力机或液压成形机(未示出)中形成至炊具70的所需形状，例如图5-7所示的煎锅形状。炊具70具有基本上平坦的烹饪表面71，以及围绕烹饪表面71并向烹饪表面71上方垂直突出的凸起侧壁74。侧壁74包括连接到烹饪表面71的圆角部分72和在其自由端的边缘76。一个或多个把手(未示出)可以以已知的方式连接到炊具。由于使用了轻质石墨和铝材料，使用本文描述的坯料组件50形成的炊具70与传统炊具相比具有减轻的重量。此外，由于石墨层促进了烹饪表面上的均匀热量分布，所以炊具70与传统炊具相比具有提高的性能。
参照图8-10，根据本公开的另外实施方案或方面示出了坯料组件150。与图1-4所示的坯料组件50类似，坯料组件150可用于形成炊具，例如图11-12所示的壶或煎锅。如本文所述，坯料组件150由多个堆叠的盘或层形成，该多个堆叠的盘或层冶金结合在一起以形成整体坯料组件150。
继续参考图8-10，坯料组件150具有至少一个上金属盘或层152(下文中称为“上金属层152”)和至少一个下金属盘或层164(下文中称为“下金属层164”)。由石墨制成的芯盘或芯层160(下文中称为“石墨芯层160”)布置在上金属层152和下金属层164之间。上金属层152的上表面或顶面形成炊具的内表面，而下金属层164的下表面或底面形成炊具的外表面。
继续参考图8-10，上金属层152可以是具有堆叠在第二层或子层152b顶部上的第一层152a的复合材料。如本文所讨论的，第一层152a限定炊具的烹饪表面，而第二层152b被选择用于与下金属层164的至少一部分结合。因此，第一层152a被选择为使得其具有炊具的烹饪表面所需的期望的抗刮性、耐磨性和热性能。如本文所讨论的，第二层152b的材料被选择为使得其具有与下金属层164的金属材料的结合亲和力。在一些实施方案或方面中，上金属层152的尺寸、形状、材料特性和形成方法可以与本文中参考图1-4描述的上金属层52的尺寸、形状、材料特性和形成方法相同或相似。
继续参考图8-10，下金属层164具有中心部分164a和围绕中心部分164a的外部部分164b。在一些实施方案或方面中，中心部分164a相对于外部部分164b凹陷，使得中心部分164a的上表面163a从外部部分164b的上表面163b偏移。在一些实施方案或方面中，中心部分164a的上表面163a可从外部部分164b的上表面163b偏移0.010英寸(0.254mm)到0.250英寸(6.35mm)。中心部分164a和外部部分164b之间的过渡可以由边缘167限定。中心部分164a可以是基本上圆形的并且定位在外部部分164b的中间。
中心部分164a具有从上表面163a向上延伸的多个向上突出的、间隔开的凹窝166(在下文中称为“凹窝166”)。在一些实施方案或方面中，凹窝166可以设置在下金属层164的中心部分164a中，而外部部分164b没有凹窝166。凹窝166的尺寸、形状、布置和形成方法可以与本文参考图1-4所讨论的凹窝166的尺寸、形状、布置和形成方法类似或相同。
下金属层164可以由具有炊具外表面所需的期望抗刮性、耐磨性和热性能的材料制成。如本文所讨论的，下金属层164的材料被选择为使得其对上金属层152的金属材料具有结合亲和力。在一些实施方案或方面中，下金属层164可以由铁磁性不锈钢(例如400级)制成，以使成品炊具适合用于感应烹饪设备。下金属层164的不锈钢可以是例如436不锈钢。下金属层164可以是直径约14英寸的圆盘，以形成用于制造直径为10英寸的煎锅的近终尺寸坯料。在其它实施方案或方面中，下金属层164可具有与本文中参考图1-4所描述的下金属层64相同的直径和厚度范围。
继续参考图8-10，石墨芯层160布置在上金属层152和下金属层164之间。在一些实施方案或方面中，石墨芯层160的尺寸被设计成使得其被容纳在由下金属层164的中心部分164a形成的空腔内。石墨芯层160具有穿过其形成的间隔开的多个孔162，使得孔162延伸穿过石墨层160上表面和下表面之间的材料。石墨层160在尺寸、形状、材料和热性能上可以与本文参考图1-4描述的石墨层60相似或相同。
孔162的尺寸、形状、布置和形成方法可与本文中参考图1-4所述的孔62的尺寸、形状、布置和形成方法类似或相同。石墨层160中的每个间隔开的孔162被选择成对应于下金属层164的中心部分164a上的凹窝166的尺寸和布置。以这种方式，凹窝166可以被布置成使得凹窝166与孔162对齐(即，对准)，其中凹窝166被容纳在孔162内。在一些实施方案或方面中，石墨芯层160的厚度被选择为小于下金属板164的凹窝166的高度。以这种方式，当凹窝166插入石墨芯层160上的相应的孔62中时，凹窝166的峰可以突出到石墨芯层60的上表面之上。
已经描述了根据本公开的各种实施方案或方面的坯料组件150的结构，现在将描述使用坯料组件150制造炊具的方法。在结合之前，坯料组件150的层经历适当的表面处理步骤，例如脱脂、通过化学或机械方法的表面磨蚀等。在适当的表面处理之后，通过堆叠上金属层152、石墨芯层160和下金属层164来形成未结合的坯料组件150。在图8-10所示的坯料组件150的情况下，石墨芯层160位于由下金属层164的中心部分164a形成的凹陷中。石墨芯层160被布置成使得石墨芯层160中的孔162与下金属板164的中心部分164a中的凹窝166对齐。凹窝166的峰被配置成当凹窝166容纳在石墨芯层160的孔162中时，该峰延伸到石墨芯层160的上表面之上。当石墨芯层160位于由下金属层164的中心部分164a限定的凹陷中时，石墨芯层160的上表面可与下金属层164的外部部分164b的上表面163b共面。
上金属层152堆叠在下金属层164和石墨芯层160上方，使得第二层152b的下表面定位成与下金属层164的外部部分164b的上表面167相对，并与石墨芯层160的上表面相对。期望地，上金属层152、石墨芯层160和下金属层164对齐，使得每层的中心共享公共轴线。在一些实施方案或方面中，可以堆叠层，使得它们的中心彼此偏移。当堆叠时，上金属层152、石墨芯层160和下金属层164基本上彼此平行。
为了补偿下金属层164的中心部分164a与外部部分164b之间的偏移，在坯料组件150的结合期间添加外部间隔盘或层180(图8中所示)。外部间隔层180具有中心开口190，其形状适于在其中容纳下金属层164的中心部分164a。在一些实施方案或方面中，中心开口190可具有圆形形状，其直径等于或略大于下金属层164的圆形形状的中心部分164a的直径。在其它实施方案或方面中，中心开口190可具有对应于下金属层164的中心部分164a的几何形状的任何所需的几何形状。外部间隔层180的厚度被选择为对应于中心部分164a的下表面或底面165a与外部部分164b的下表面或底面165b之间的偏移。这样，未结合的坯料组件150的厚度在径向或横向上相同，以确保在固态结合过程期间的均匀结合压力。
为了提高制造效率，多个未结合的坯料组件150，每个具有各自的外部间隔层180，可以堆叠在彼此上方，在相邻的坯料组件150之间具有或不具有隔离物。
然后，将坯料组件150和外部间隔层180，或者多个堆叠的坯料组件150和外部间隔层180放置在压制设备(未示出)中，以经由固态结合技术在相对于坯料组件150中的层的平面的法向或垂直方向上施加载荷或压力。当处于5,000和20,000psi之间的压力下时，在约500℉和1,000℉之间将热施加至一个或多个坯料组件150足够的时间(约1-4小时)，以在一个或多个坯料组件150中的金属层之间实现固态结合(即，冶金结合)。在固态结合过程期间，下金属层164的外部部分164b的上表面163b与上金属层152的第二层152b的下表面冶金结合。此外，因为凹窝166的峰延伸到石墨芯层160的上表面之上，所以凹窝166与上金属层152的第二层152b的下表面冶金结合。石墨芯层160因此在其上侧和下侧上被包封在上金属层152和下金属层164之间。石墨芯层160被下金属层164的边缘167沿其外圆周包围，使得石墨芯层160被完全包封在上金属层152和下金属层164之间。
然后，将每个坯料组件150和外部间隔层180从压制设备中移除并使其冷却。在一些实施方案或方面中，冷却可以通过暴露于环境空气或通过使用冷却剂，例如加压气流或液流来实现。
在固态结合和冷却之后，从结合的坯料组件150移除外部间隔层180。结合的坯料组件150在拉延压力机或液压成形机(未示出)中形成至炊具170的所需形状，例如图11-12所示的煎锅形状。炊具170具有基本上平坦的烹饪表面171，以及围绕烹饪表面171并向烹饪表面171上方垂直突出的凸起侧壁174。侧壁174包括连接到烹饪表面171的圆角部分172和在其自由端处的边缘176。一个或多个把手(未示出)可以以已知的方式连接到炊具。由于使用了轻质石墨和铝材料，使用本文描述的坯料组件150形成的炊具170与传统炊具相比具有减轻的重量。此外，由于石墨芯层160促进了烹饪表面上的均匀热量分布，所以炊具170与传统炊具相比具有提高的性能。
在各种实施方案中，本发明的特征可进一步在于以下款项中的一个或多个：
款项1.由结合的多层复合材料制成的炊具，该炊具包括：至少一个上金属层；下金属层，其具有形成在其上的多个向上突出的、间隔开的凹窝；以及石墨芯层，其布置在至少一个上金属层和下金属层之间，该石墨芯层包括延伸穿过其中的多个间隔开的孔，其中多个凹窝延伸穿过多个孔，并且其中多个凹窝冶金结合到至少一个上金属层。
款项2.款项1的炊具，其中至少一个上金属层包括结合到铝的子层的不锈钢或钛层。
款项3.款项1或2的炊具，其中至少一个上金属层由1000系列铝合金或镀铝材料制成。
款项4.款项3的炊具，其中铝合金是1100合金。
款项5.款项3或4的炊具，其中下金属层由不锈钢或钛制成，并且其中多个凹窝结合到至少一个上层的铝合金。
款项6.款项5的炊具，其中不锈钢是铁磁级不锈钢或其它耐腐蚀级不锈钢。
款项7.款项1-6中任一项的炊具，其中石墨层由热解石墨制成。
款项8.款项1-7中任一项的炊具，其中下金属层具有中心部分和围绕中心部分的外部部分，其中多个凹窝形成在中心部分中，并且其中中心部分相对于外部部分凹陷以容纳石墨芯层。
款项9.款项8的炊具，其中外部部分直接结合到至少一个上金属层以形成炊具的完全结合的侧壁。
款项10.由结合的多层复合材料制成的炊具，该炊具包括：预结合到铝的子层的不锈钢或钛的上层；石墨芯层，其包括穿过其中形成的多个间隔开的孔；以及不锈钢或钛的下层，其具有中心部分和围绕中心部分的外部部分，中心部分包括延伸穿过石墨芯盘中的多个孔的多个向上突出的、间隔开的凹窝，其中中心部分相对于外部部分凹陷，其中外部部分结合至铝的子层，并且其中凹窝结合至铝的子层。
款项11.权利要求10的炊具，其中铝的子层由1000系列铝合金或镀铝材料制成。
款项12.款项11的炊具，其中铝合金是1100合金。
款项13.款项10-12中任一项的炊具，其中下层由铁磁级不锈钢或其它耐腐蚀级不锈钢制成。
款项14.款项10-13中任一项的炊具，其中中心石墨盘由热解石墨制成。
款项15.一种制造炊具的方法，该方法包括：(a)提供包含铝的上金属盘；(b)提供石墨芯盘，其具有穿过其中的多个间隔开的孔；(c)提供不锈钢或钛的下金属盘，该下金属盘在下金属盘的中心部分中具有多个向上突出的、间隔开的凹窝，并且具有围绕中心部分的外部部分，其中中心部分相对于外部部分凹陷；(d)将步骤(a)-(c)中提供的盘堆叠成坯料组件，使得石墨芯板被容纳在凹陷的中心部分内，由此下金属盘中的多个凹窝与石墨芯板中的多个孔对齐并穿过石墨芯板中的多个孔，其中多个凹窝具有延伸到石墨芯盘的上表面之上的上端部分，使得上金属盘的下表面接触下金属盘的外部部分的上表面和多个凹窝的上端部分；以及(e)通过在垂直于坯料组件中的盘的平面的方向上施加力来压制坯料组件，并且同时加热坯料组件以实现坯料组件中的盘的金属材料之间的冶金结合，以提供结合的坯料组件。
款项16.款项15的方法，还包括：(f)冷却结合的坯料组件；以及(g)将结合的坯料组件形成为炊具。
款项17.款项15或16的方法，还包括在压制坯料组件之前围绕下金属盘的中心部分添加外部间隔盘。
款项18.款项15-17中任一项的方法，其中上金属盘包括由1000系列铝合金或镀铝材料制成的层。
款项19.款项15-18中任一项的方法，其中下金属盘由铁磁级不锈钢或其它耐腐蚀级不锈钢制成。
款项20.款项15-19中任一项的方法，其中中心芯盘由热解石墨制成。
款项21.款项15-20中任一项的方法，其中上金属盘是预结合的复合材料，其包括结合到铝的子层的不锈钢或钛的上层。
款项22.一种制造炊具的方法，该方法包括：(a)提供预结合的上金属盘，该上金属盘包括结合到铝的子层的不锈钢或钛的上层；(b)提供由石墨制成的中心芯盘，该中心芯盘具有穿过其中的多个间隔开的孔；(c)提供呈环形铝盘形式的外芯盘，并围绕中心芯盘防止外芯盘；(d)提供不锈钢或钛的下金属盘，该下金属盘在下金属盘的中心部分具有多个向上突出的、间隔开的凹窝；(e)将步骤(a)-(d)中提供的盘堆叠成坯料组件，使得下金属盘中的多个凹窝与中心芯盘中的多个孔对齐并穿过中心芯盘中的多个孔，其中多个凹窝具有延伸到芯盘上表面之上的上端部分，使得上金属盘的下表面接触外芯盘的上表面和多个凹窝的上端部分，并且使得围绕中心部分的下金属盘的外部部分接触外芯盘的下表面；以及(f)通过在垂直于坯料组件中的盘的平面的方向上施加力来压制坯料组件，并且同时加热坯料组件以实现坯料组件中的盘的金属材料之间的冶金结合，以提供结合的坯料组件。
款项23.具有多层结合的复合壁结构的炊具，该炊具包括：上预结合层，其包括限定炊具内表面的不锈钢或钛层以及结合到其上的第一铝层；芯层，其包括中心石墨盘，该中心石墨盘具有以图案化阵列形成的多个间隔开的孔，芯层还包括围绕石墨盘的第二铝环形外芯层，其中芯层面向第一铝层；以及不锈钢或钛的下层，其面向芯层并且限定炊具的外表面，不锈钢或钛的下层具有以图案化阵列形成在其中的多个凹窝，以匹配形成在石墨盘中的孔的图案化阵列，使得不锈钢的下层的凹窝与炊具的由石墨盘占据的中心区域中的第一铝层形成结合，并且其中炊具的限定侧壁并包括不锈钢或钛的上层和下层的周边区域经由第一铝层和第二铝层连续地结合在一起。
款项24.由结合的多层复合材料制成的炊具，该炊具包含：芯构造，其包括石墨中心芯盘和围绕所述石墨中心芯盘的铝环形外芯层，所述石墨中心芯盘具有穿过其中形成的多个间隔开的孔；上预结合层，其包括结合到下铝盘的上不锈钢或钛盘，并且其中下铝盘结合到铝环形外芯层，该铝环形外芯层包括具有中心部分的下不锈钢或钛层，该中心部分具有形成在其中的多个向上突出的、间隔开的凹窝，该凹窝延伸穿过石墨中心芯盘中的孔并结合到上预结合层的下铝盘，下不锈钢层还包括围绕凹窝并结合到铝环形外芯层的外部部分。
已经参考本发明的特定示例的具体细节描述了本发明。但这些细节不应被认为是对本发明范围的限制，除非它们被包括在所附权利要求中。

Claims (22)

1.由结合的多层复合材料制成的炊具，所述炊具包括：
至少一个上金属层；
下金属层，具有形成在下金属层的上表面上的向上突出的、间隔开的多个凹窝，所述凹窝通过从所述下金属层的下表面延伸的多个压痕而形成；以及
石墨芯层，其布置在所述至少一个上金属层和所述下金属层之间，所述石墨芯层包括延伸穿过其中的间隔开的多个孔，
其中，所述多个凹窝延伸穿过所述多个孔，以及
其中，所述多个凹窝冶金结合到所述至少一个上金属层。
2.根据权利要求1所述的炊具，其中所述至少一个上金属层包括结合到铝的子层的不锈钢或钛层。
3.根据权利要求1所述的炊具，其中所述至少一个上金属层由1000系列的铝合金或镀铝材料制成。
4.根据权利要求3所述的炊具，其中所述铝合金是1100合金。
5.根据权利要求3所述的炊具，其中所述下金属层由不锈钢或钛制成，并且其中所述多个凹窝结合到所述至少一个上金属层的所述铝合金。
6.根据权利要求5所述的炊具，其中所述不锈钢是铁磁级不锈钢或其他耐腐蚀级不锈钢。
7.根据权利要求1所述的炊具，其中所述石墨芯层由热解石墨制成。
8.根据权利要求1所述的炊具，其中所述下金属层具有中心部分和围绕所述中心部分的外部部分，其中所述多个凹窝形成在所述中心部分中，并且其中所述中心部分相对于所述外部部分凹陷以容纳所述石墨芯层。
9.根据权利要求8所述的炊具，其中所述外部部分直接结合到所述至少一个上金属层以形成所述炊具的完全结合的侧壁。
10.由结合的多层复合材料制成的炊具，所述炊具包括：
预结合到铝的子层的不锈钢或钛的上层；
石墨芯层，其包括穿过其中形成的间隔开的多个孔；以及
不锈钢或钛的下层，其具有中心部分和围绕所述中心部分的外部部分，所述中心部分包括向上突出的、间隔开的多个凹窝，所述凹窝延伸穿过所述石墨芯层中的所述多个孔，
其中，所述凹窝通过从所述中心部分的下表面延伸的多个压痕而在中心部分的上表面上形成，
其中，所述中心部分相对于所述外部部分凹陷；
其中，所述外部部分结合到所述铝的子层，以及
其中，所述凹窝结合到所述铝的子层。
11.根据权利要求10所述的炊具，其中所述铝的子层由1000系列铝合金或镀铝材料制成。
12.根据权利要求11所述的炊具，其中所述铝合金是1100合金。
13.根据权利要求11所述的炊具，其中所述下层由铁磁级不锈钢或其他耐腐蚀级不锈钢制成。
14.根据权利要求11所述的炊具，其中所述石墨芯层由热解石墨制成。
15.一种制造炊具的方法，所述方法包括：
(a)提供包含铝的上金属盘；
(b)提供石墨芯盘，其具有穿过其中的间隔开的多个孔；
(c)提供不锈钢或钛的下金属盘，所述下金属盘在所述下金属盘的中心部分中具有向上突出的、间隔开的多个凹窝，其中所述中心部分相对于所述下金属盘的外部部分凹陷；
(d)将步骤(a)-(c)中提供的盘堆叠成坯料组件，使得所述石墨芯盘被容纳在所述凹陷的中心部分内，由此所述下金属盘中的多个凹窝与所述石墨芯盘中的所述多个孔对齐并穿过所述石墨芯盘中的所述多个孔，其中所述多个凹窝具有延伸到所述石墨芯盘的上表面之上的上端部分，使得所述上金属盘的下表面接触所述下金属盘的所述外部部分的上表面和所述多个凹窝的所述上端部分；以及
(e)通过在垂直于所述坯料组件中的所述盘的平面的方向上施加力来压制所述坯料组件，并且同时加热所述坯料组件以实现所述坯料组件中的所述盘的金属材料之间的冶金结合，以提供结合的坯料组件。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
(f)冷却所述结合的坯料组件；以及
(g)将所述结合的坯料组件形成为所述炊具。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括在压制所述坯料组件之前围绕所述下金属盘的所述中心部分添加外部间隔盘。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述上金属盘包括由1000系列铝合金或镀铝材料制成的层。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述下金属盘由铁磁级不锈钢或其它耐腐蚀级不锈钢制成。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述石墨芯盘由热解石墨制成。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述上金属盘是预结合的复合材料，所述预结合的复合材料包括结合到铝的子层的不锈钢或钛的上层。
22.一种制造炊具的方法，所述方法包括：
(a)提供预结合的上金属盘，所述上金属盘包括结合到铝的子层的不锈钢或钛的上层；
(b)提供由石墨制成的中心芯盘，所述中心芯盘具有穿过其中的间隔开的多个孔；
(c)提供呈环形铝盘形式的外芯盘并将所述外芯盘围绕所述中心芯盘放置；
(d)提供不锈钢或钛的下金属盘，所述下金属盘在所述下金属盘的中心部分中具有向上突出的、间隔开的多个凹窝；
(e)将步骤(a)-(d)中提供的盘堆叠成坯料组件，使得所述下金属盘中的所述多个凹窝与所述中心芯盘中的所述多个孔对齐并穿过所述中心芯盘中的所述多个孔，其中所述多个凹窝具有延伸到所述芯盘上表面之上的上端部分，使得所述上金属盘的下表面接触所述外芯盘的上表面和所述多个凹窝的上端部分，并且使得围绕所述中心部分的所述下金属盘的外部部分接触所述外芯盘的下表面；以及
(f)通过在垂直于所述坯料组件中的所述盘的平面的方向上施加力来压制所述坯料组件，并且同时加热所述坯料组件以实现所述坯料组件中的所述盘的金属材料之间的冶金结合，以提供结合的坯料组件。
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