JP3942261B2 - 誘導加熱コイル及びこの誘導加熱コイルを用いた誘導加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の搬送ローラ上に載置されて搬送される熱間圧延鋼等の周囲を取り囲んで熱間圧延鋼等の高周波誘導加熱（移動加熱）を行なうための誘導加熱コイル及びこの誘導加熱コイルを用いた誘導加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電炉ミニミルによるホットコイル製造ラインにおいては、連続鋳造される薄スラブ（熱間圧延鋼の一種）を加熱するために、高エネルギー密度の高周波電力による高周波誘導加熱が従来より広く利用されている。図８及び図９は連続製造ラインにおいて薄スラブを加熱するために従来より一般的に用いられている誘導加熱装置２０を示すものであって、この装置２０は、図外の連続鋳造部において連続鋳造されて加熱部に供給されてくる薄スラブ２１を移動状態の下で誘導加熱コイル２２にて誘導加熱（高周波移動加熱）するようにしたものである。
【０００３】
上述の誘導加熱装置２０は、図８及び図９に示すように、所定の搬送経路に沿って間隔を隔てて配列されたスチール製の複数の搬送ローラ２３と、互いに隣合う搬送ローラ２３の間に固定配置されたソレノイド型の誘導加熱コイル２２と、この誘導加熱コイル２２に高周波電力を供給する高周波電源２４とから構成されている。加熱手段として用いられる上述の誘導加熱コイル２２は、スパイラル状に複数回にわたり巻回されたソレノイド型のコイルであり、図８〜図１０に示す如く、下側巻線部分２２ａと、この下側巻線部分２２ａの一端から上方に立ち上がる側方巻線部分２２ｂと、この側方巻線部分２２ｂの上端に連なる上側巻線部分２２ｃと、この上側巻線部分２２ｃの一端から下方に立ち下がる側方巻線部分２２ｄとから成る１ターンの構成を繰り返し複数形成して成るものである。
【０００４】
かくして、薄スラブ２１は、このソレノイド型の誘導加熱コイル２２の中空部（コイル巻線によって取り囲まれた箇所）を通るように複数の搬送ローラ２３上に載置されて搬送されるようになっている。すなわち、図外の連続鋳造部から連続して供給される薄スラブ２１は、各々が同方向に等速で回転駆動されている複数の搬送ローラ２３上に載置されて所定方向（図８及び図９において矢印Ｘ方向）に搬送移動され、この際に高周波電源２４の高周波電力が誘導加熱コイル２２によって被加熱体である薄スラブ２１に伝達され、これにより、薄スラブ２１が移動中に所定温度に高周波誘導加熱されるようになっている。なお、この場合、薄スラブ２１の種類に応じて、薄スラブ２１の搬送速度と搬送ローラ２３の回転速度並びに高周波電源２４の高周波電力が調整され、薄スラブ２１の加熱温度の調整が行われる。
【０００５】
因みに、板厚が約２０ｍｍないし３０ｍｍ、板幅が約１０００ｍｍないし１４００ｍｍの薄スラブ（被加熱体）２１の上下両面を効率良く加熱できるように、誘導加熱コイル２２の開口部２５の形状すなわちコイル軸線Ｓ1 に対して直交する平面から見たコイル形状（コイルの巻回形状）が長方形となされると共に、この開口部２５の面積が必要最小限となるように決定される。そして、誘導加熱コイル２２の軸線Ｓ1 は、通常、薄スラブ３の軸線Ｓ2 とほぼ同一線上になるよう配置される（図９参照）。
【０００６】
また、誘導加熱コイル２２は高周波電源２４により励磁されるが、この高周波電源２４の周波数は、誘導電流の浸透深さが、薄スラブ２１の板厚の１／２以下となるよう、５ＫＨz ないし６ＫＨz 程度に選定される。誘導加熱コイル２２により発生する電磁界（磁束）は、薄スラブ２１中に渦電流を生ぜしめる。この渦電流をＩ、薄スラブ２１の電気抵抗をＲとすると、Ｉ2 Ｒのジュール熱が生じて、薄スラブ２１の温度が上昇する。加熱電力は大きい程、ミニミルの生産性とラインの短縮に有効であり、現状の技術で実現可能な最大級の１０００ＫＷないし２０００ＫＷ程度の大電力高周波電源２４と誘導加熱コイル２２とを一式として、数式から１０数式が薄スラブ搬送方向に縦列に配置されて、これらにより１つの加熱ラインが構成されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、誘導加熱コイル２２は、薄スラブ２１の加熱に有効であるコイル軸Ｓ1 に平行な磁束以外に、僅かではあるが無視し得ない有害な偏心磁束を発生する。なお、この偏心磁束は、ソレノイド型の誘導加熱コイル２２においては、一般的に、コイル巻線をコイル軸線Ｓ1 に沿う方向に移行しながらスパイラル状に巻くことすなわち所定のリード角θ（図１０参照）をもってコイル巻線を巻回することに起因して生じる。なお、この場合のリード角とは、図１０に示すようにコイル軸線Ｓ1 に対して直交する方向の直線Ｓ3 （コイル幅方向及び薄スラブ２１の幅方向に一致する方向の直線）と、誘導加熱コイル２２の上側巻線部分２２ｃとのなす角度であり、このリード角をθとすれば、 cosθが有効成分であり、 sinθが偏心磁束を生ずる成分となる。因みに、誘導加熱コイル２２の開口部２５の開口寸法を１６００ｍｍ×１１０ｍｍ、奥行寸法を２８０ｍｍ、巻線材料を５０ｍｍ×３０ｍｍの銅パイプとした例では、リード角θは約１°となる。
【０００８】
図１１は、リード角θを有するように巻回された誘導加熱コイル２２により電磁誘導されて薄スラブ２１の上面に生ずる誘導電流成分を示すものである。図１１に示すように、薄スラブ２１の上表面及びその付近には、前記上側巻線部分２２ｃに沿う方向に誘導電流ｉ0 が流れることとなるが、薄スラブ２１の誘導加熱に有効に寄与する成分として薄スラブ２１の幅方向に沿って流れる誘導電流成分ｉ1 ＝ｉ0 cosθが生じる一方、薄スラブ２１の誘導加熱を阻害する成分として薄スラブ２１の軸線Ｓ2 方向（若しくは誘導加熱コイル２２の軸Ｓ1 方向）に沿って流れる誘導電流成分ｉ2 ＝ｉ0 sinθが生じる。すなわち、偏心磁束が存在すると、薄スラブ２１の軸方向に流れる誘導電流成分ｉ2 を生ぜしめる（図８及び図１１参照）。
【０００９】
このように薄スラブ２１の軸線Ｓ2 方向に流れる誘導電流成分ｉ2 が生じると、図８において点線で示した軸方向電流ｉ2 は、誘導加熱コイル２２に対して薄スラブ搬送方向の下流側に配設された搬送ローラ２３ｂから接地ラインＧを経由して、誘導加熱コイル２２に対して薄スラブ搬送方向の上流側に配設された搬送ローラ２３ａに至り、薄スラブ２１に戻るループに沿って循環する循環電流となる。その結果、この循環電流により、薄スラブ２１と搬送ローラ２３ａとの間及び薄スラブ２１と搬送ローラ２３ｂとの間にスパーク（アーク）が発生され、搬送ローラ２３ａ，２３ｂに対応配置されている薄スラブ２１の裏面、特に、この裏面の側縁部分にスパークによる過熱で大きな損傷を生じると共に、搬送ローラ２３ａ，２３ｂの表面には電食を生じる。なお、コイル巻線のリード角は、図１０に示す薄スラブ幅方向に対するコイル巻線の機械的リード角θが零の場合であっても、巻線構造によっては零とならない。これは、単層・複巻のソレノイド型コイルにおいては奥行方向の寸法に応じて、軸方向電流成分が必ず存在するからである。
【００１０】
そこで、既述のような軸方向電流ｉ2 の発生を防止して薄スラブ２１の損傷並びに電食を防止するための最も一般的な対策として、従来では、複数の搬送ローラ２３を接地ライン（アース電位）から絶縁する対策を採用している。しかし、このような対策のためには、各々の搬送ローラ２３の絶縁を行なう必要があり、設備が複雑かつ高価になるという問題点がある。また、これとは別の対策としては、搬送ローラ２３をセラミックで作ることが挙げられるが、この場合には、セラミックローラは高価であり、しかも削れたり，割れたりする不具合があるため、耐久性に問題があるのが実状である。また、さらに他の対策は、ステンレススチールローラの表面をセラミックコーティングして成る搬送ローラ２３を用いたり、或いは搬送ローラ２３の軸を支持する架台を接地ラインより絶縁するような等々の対策が試みられたが、何れの場合も、装置の製造上の難易度，価格，耐久性の点で満足できるものではなかった。
【００１１】
また、軸方向電流ｉ2 を阻止する従来の他の対策としては、図９に示す如く、珪素鋼板を積層して成る鉄心３０を誘導加熱コイル２２の周囲に配設してこのコイル２２の外側に発生する磁路の全体ないしその一部を前記鉄心３０で覆うような対策を採用する場合もある。この場合には、珪素鋼板の平面の向きをコイル軸線Ｓ1 方向の磁束と平行に配置することにより、コイル軸線Ｓ1 方向と直交する磁束を前記鉄心３０にて遮断するようにしている。しかし、この対策は、大電力の設備には尚更であるが、鉄心３０の冷却並びに鉄心３０の支持構造が非常に複雑となって製造上の困難を伴う他、価格も非常に高価となり、満足できるものではなかった。
【００１２】
本発明は、上述した従来の技術の実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、誘導加熱コイルの巻き方を工夫することによって、薄スラブ等の被加熱体及び搬送ローラを循環して流れる誘導加熱に有害な循環電流（被加熱体と搬送ローラとの接触面等に生ずるスパークの原因となる循環電流）の発生を防止でき、従ってコイル軸方向に沿って被加熱体に流れる循環電流によって引き起こされる被加熱体の損傷並びに搬送ローラの電食の発生を防止することができるような誘導加熱コイル及びこのコイルを用いた誘導加熱装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明では、被加熱体を囲んで誘導加熱する単層巻き構造の誘導加熱コイルにおいて、コイル軸線に沿って一方向に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分と、この第１のコイル部分の終端に連結されかつ前記コイル軸線に沿って前記一方向とは反対の他方向に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分とをそれぞれ有し、前記第１のコイル部分の巻線間に前記第２のコイル部分が配置されて前記第１及び第２のコイル部分を互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せ、前記第１及び第２のコイル部分を前記被加熱体の表裏両面の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°に設定し、前記第１及び第２のコイル部分の側部部分が前記被加熱体の側方において互いに交差する部分においてはリード角をそれぞれ＋９０°，−９０°に設定することにより軸方向電流成分を打ち消すように構成している。
また、本発明では、前記第１及び第２のコイル部分の巻回数が互いに等しく設定するようにしている。
また、本発明では、
（Ａ） 所定の搬送経路に沿って間隔を隔てて配列された複数の搬送ローラと、
（Ｂ） 被加熱体を囲んで誘導加熱する単層巻き構造の誘導加熱コイルであって、コイル軸線に沿って一方向に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分と、この第１のコイル部分の終端に連結されかつ前記コイル軸線に沿って前記一方向とは反対の他方向に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分とをそれぞれ有し、前記第１のコイル部分の巻線間に前記第２のコイル部分が配置されて前記第１及び第２のコイル部分を互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せ、前記第１及び第２のコイル部分を前記被加熱体の表裏両面の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°に設定し、前記第１及び第２のコイル部分の側部部分が互いに交差する部分においてはリード角をそれぞれ＋９０°，−９０°に設定することにより軸方向電流成分を打ち消すように構成した、互いに隣合う前記搬送ローラの間に配置された前記誘導加熱コイルと、
（Ｃ） 前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、
をそれぞれ具備し、
前記複数の搬送ローラ上に載置されて所定方向に搬送される前記被加熱体を前記誘導加熱コイルの中空部を通過させることにより誘導加熱するようにしている。
また、本発明では、前記被加熱体は連続鋳造されて搬送されてくる薄スラブであり、この薄スラブの上面及び下面に対応配置される前記誘導加熱コイルのコイル巻線部分が前記薄スラブの幅方向に一致するように配置している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１〜図７を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１実施形態に係るソレノイド型の誘導加熱コイル１（図２（ａ）参照）を用いた誘導加熱装置２を示すものであって、本装置２は、電炉ミニミルによるホットコイル製造ラインにおいて連続鋳造される薄スラブを所要温度に誘導加熱する装置である。上述の誘導加熱装置２は、図１に示すように、所定方向に沿って間隔を隔てて互いに平行状に設置された複数の搬送ローラ３と、互いに隣合う搬送ローラ３の間に配置された炉体４と、この炉体４中に組み込まれた誘導加熱コイル１に高周波電力を供給する高周波電源（図示せず）とから構成されている。なお、図１においては互いに隣合う２つの搬送ローラ３ａ，３ｂ及びこれらの搬送ローラ３ａ，３ｂ間に配置された１つの炉体４から成る１組の搬送・加熱機構しか図示していないが、これと同様の搬送・加熱機構が薄スラブ搬送経路（ホットコイル製造ライン）に沿って等間隔（約７００ｍｍ間隔）を隔てた複数箇所にそれぞれ配設されている。そして、各搬送ローラ３は、図外の電動モータ等にて個々に回転駆動されるように構成されている。
【００１６】
上述の炉体４は、図２（ａ）及び図３に示す如き巻線構造を有するソレノイド型の誘導加熱コイル１を断熱・絶縁用セメント５にて被覆してその内部に収納配置すると共に、断熱・絶縁用セメント５の中心部分に薄スラブ挿通用の開口部６を形成し、さらにこの断熱・絶縁用セメント５の開口部６を除く前面と背面の他、底面をシールド板７で被って成るものである。なお、図示してないが、断熱・絶縁用セメント５の上面並びに左右両側面もできる限りシールド板７で被うのが望ましい。かくして、連続鋳造部において連続鋳造されて誘導加熱部に移送されてくる薄スラブ８は、誘導加熱部において複数の搬送ローラ３上に載置されて支持され、所定の搬送速度で複数の搬送ローラ３上を図１において矢印Ｘで示す方向に搬送移動されると共に、薄スラブ８が前記炉体４の開口部６内に貫通されてこの開口部６の中央部分を通過するように構成されている。なお、断熱・絶縁用セメント５内の誘導加熱コイル１には図外の高周波電源から所要周波数の高周波電力が供給されるようになっている。
【００１７】
次に、本発明の第１実施形態において用いられている誘導加熱コイル１の巻線構造について具体的に述べると、以下の通りである。すなわち、この誘導加熱コイル１は、図２（ａ）に示すようにコイル巻線を全体として計４回だけ矩形経路に沿って巻回して成るいわゆる４ターン構造のものであり、高周波電源の入口端子１０及び出口端子１１を左端の巻線部分（コイル軸線Ｓの方向においてコイル巻回の始端及び終端）に設けるようにしている。ここで、誘導加熱コイル１の巻線構造の理解を容易にするために、コイル巻線の展開図を図３に示すこととする。なお、図３に示す展開図は、図２（ａ）において符号Ｍ及びＮで示すコイル箇所をコイル軸線Ｓの方向に沿って互いに遠ざかる方向に広げた場合のコイル形状に相当するものである。
【００１８】
本実施形態の誘導加熱装置に用いられる誘導加熱コイル１は、図２（ａ）に明示するように、コイル軸線Ｓに沿って一方向（矢印α方向）に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分１３と、この第１のコイル部分１３の終端に連結されかつコイル軸線Ｓに沿って他方向（矢印β方向）に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分１４とを、互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せて成るものである。すなわち、上述の誘導加熱コイル１の巻回構造について詳述すると、まず、高周波電力の入口端子１０からコイル軸線Ｓの上方側の矩形経路（コ字状経路）に沿って巻回され、このコ字状の上側巻線部分１ａの端部１６においてコイル軸線Ｓに沿う矢印α方向に進行するようにかつコイル軸線Ｓに対して平行となるように屈曲されてからコイル軸線Ｓの下方側の矩形経路に沿って巻回されている。そして、この下側巻線部分１ｂの端部１７においてコイル軸線Ｓに沿う矢印α方向に進行するようにかつコイル軸線Ｓに対して平行となるように屈曲されてから次のコイル軸線Ｓの上方側の矩形経路に沿って巻回されている。かくして、このような巻回構造が繰り返して行なわれて２ターンの第１のコイル部分１３が形成されている。
【００１９】
さらに、矢印α方向に進行する第１のコイル部分１３の終端である折り返し端１８からは第２のコイル部分１４が連設されている。具体的には、前記折り返し端１８から上方に立ち上がってコイル軸線Ｓの上方側の矩形経路に沿って巻回され、このコ字状の上側巻線部分１ｃの端部１９においてコイル軸線Ｓに沿う矢印β方向に進行するようにかつコイル軸線Ｓに対して平行となるように屈曲されてからコイル軸線Ｓの下方側の矩形経路に沿って巻回されている。そして、この下側巻線部分１ｄの端部２０においてコイル軸線Ｓに沿う矢印β方向（前記α方向とは正反対の方向）に進行するようにかつコイル軸線Ｓに対して平行となるように屈曲されてから次のコイル軸線Ｓの上方側の矩形経路に沿って巻回されている。かくして、このような巻回構造が繰り返して行なわれて前記入口端子１０に対向する高周波電力の出口端子１１にまで巻き戻されて、これにより２ターンの第２のコイル部分１４が形成されている。
【００２０】
なお、図２（ａ）においては上側巻線部分１ａ，１ｃと下側巻線部分１ｂ，１ｄ（順・逆両巻線）との間のコイル側部部分Ｐ，Ｑが互いに交差するように図示されているが、実際には、図２（ｂ）に示すように互いに平行状にしかもコイル軸線Ｓに平行になっており、耐電圧がとれる最小の間隔（例えば、約１０ｍｍのギャップ）に設定され、インダクタンスを打ち消すように構成されている。一方、これらのコイル側部部分Ｐ，Ｑを除く各ターンの矩形コイル部分は互いに非接触状態の下で平行状に配置されている。そして、第１及び第２のコイル部分１３，１４が互いにオーバラップした状態で組合わされている。また、本例の誘導加熱コイル１の場合には、高周波電力の入口端子１０及び出口端子１１（高周波電力の入・出力端子）がコイル軸線Ｓ方向の一端箇所に配設されている。従って、第１のコイル部分１３にあっては高周波電力の入口端子１０側から奥行方向を見て左巻き（順方向）に巻回され、第２のコイル部分１４にあっては高周波電力の出口端子１１側から奥行方向を見て右巻き（逆方向）に巻回されており、入口端子１０から折り返し点１８までは左巻線であり、折り返し点１８から端子１１までは右巻線である。すなわち、一方側から見て同じ巻線方向であっても、一方側から他方側に向けて巻線を巻く場合と、他方側から一方側に向けて巻線を巻く場合とでは、巻線方向が逆の関係となっているのである。
【００２１】
また、前記上側巻線部分１ａ，１ｃ及び下側巻線部分１ｂ，１ｄはリード角が０°に設定されるものの、前記コイル側部部分Ｐ，Ｑにおいてはリード角がそれぞれ＋９０°，−９０°に設定されるようになっている。ここで、全体として１つの巻線を構成する第１のコイル部分１３と第２のコイル部分１４は、前記折り返し点１８で接続されており、かつコイル軸線Ｓを含む水平面に対して巻線が上下対称形状となされている（図３参照）。
【００２２】
かくして、このような巻回構造を有する誘導加熱コイル１は既述の如く炉体４中に組み込まれ、複数の搬送ローラ３にて搬送されてくる薄スラブ８の幅方向に対して平行となるように配置されるようになっている。従って、薄スラブ８の幅方向に対して誘導加熱コイル１の上辺巻線部Ａ及び下辺巻線部Ｂ（図２及び図３参照）が平行に配置され、リード角が０°となされる。
【００２３】
次に、本実施形態の誘導加熱装置２にて薄スラブ８を誘導加熱する場合の作用について述べると、以下の通りである。まず、連続鋳造された薄スラブ８が複数の搬送ローラ３上に載置されて炉体４に搬送され、炉体４の開口部６内に通される。一方、誘導加熱コイル１には図外の高周波電源から高周波電力が供給される。これに伴って誘導加熱コイル１に流れる高周波電流は、図２及び図３において矢印で示す如く、入口端子１０から上側巻線部分１ａ、この上側巻線部分１ａに連なる下側巻線部分１ｂ、さらにこれに連なる上側巻線部分及び下側巻線部分を順次に巡って折り返し端１８に至り、この折り返し端１８から上側巻線部分１ｃ、この上側巻線部分１ｃに連なる下側巻線部分１ｄ、さらにこれに連なる下側巻線部分及び上側巻線部分を順次に巡って出口端子１１に戻るように流れる。高周波電力にて誘導加熱コイル１が励起されるのに応じて交番磁束が発生され、この交番磁束により薄スラブ８の表面に渦電流が生ぜしめられる。この際に、薄スラブ８には、図４において矢印で示すように薄スラブ３の表面と裏面をループする渦電流（誘導電流ｉ）が流れ、これにより薄スラブ８が誘導加熱される。なお、この際の外部への漏洩磁束はシールド板７にて遮断されるため、外部への漏洩磁束による周囲の金属部材の発熱は防止される。
【００２４】
このような構成の誘導加熱装置２によれば、既述の如き巻回構造の誘導加熱コイル１を用いるようにしているので、コイル巻線のリード角を、左巻線である第１のコイル部分１３の傾斜部Ｐでθ（＋９０°）とすれば、右巻線である第２のコイル部分１４の傾斜部Ｑで−θ（−９０°）となり、軸方向電流成分を打消すことができる。この場合、インダクタンスも互いに打ち消されて好都合となる。よって、薄スラブ８に流れる誘導電流の成分中には、搬送ローラ３等を介して外部を循環する軸方向電流は生じないようにすることができる。現実的には、軸方向電流の大きさを無視し得る程度の微弱な値にまで低減することができる。
【００２５】
また、図５及び図６は、本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱コイル１′を示すものであって、この誘導加熱コイル１′は、高周波電源の入口端子１０及び出口端子１１を複数ターンの巻線中の巻線途中の任意箇所に設けたものである。なお、前記入口端子１０及び出口端子１１の配設位置が第１実施形態の誘導加熱コイル１の場合と異なる以外は、既述の誘導加熱コイル１と同様の構成である。このような構成の誘導加熱コイル１′にあっても、既述の誘導加熱コイル１の場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００２６】
以上の如き誘導加熱コイル１，１′による軸方向電流の低減効果を確認すべく実験を行ったところ、図７に示す如き結果を得た。なお、この際の測定条件は、以下の通りである。
測定条件
（１） 高周波電源の周波数 ： ５．５ＫＨZ
（２） 高周波電源の出力電圧 ： １０００〜２０００Ｖ
（３） 負荷 ： 無負荷
（４） 測定対象：１８００ｍｍ（長さ）×３０ｍｍ（幅）×６ｍｍ（厚さ）の銅板をループ状にして、コイル軸線上を通るループ電流をセンサにて測定
【００２７】
この実験結果から、本発明に係る誘導加熱コイル１，１′によれば、薄スラブ８に生じる軸方向電流（すなわち循環電流）を従来の誘導加熱コイルの場合に比べて約１／５０程度に低減できることが確認された。
【００２８】
以上、本発明の実施形態につき述べたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、誘導加熱コイル１，１′の巻回数（ターン数）は、偶数，奇数を問わず、任意に設定可能であり、その数に制限はない。また、誘導加熱コイル１，１′の入口端子１０及び出口端子１１は任意の巻線箇所に設けることが可能であり、かつ任意の２つの巻線部分に跨って設けることも可能である。また、既述の実施形態では被加熱体が薄スラブ８である場合について説明したが、本発明に係る誘導加熱コイル及びこれを用いた誘導加熱装置は、鋼材の他，アルミ，銅等の全ゆる金属材料の板，棒，パイプ等のような全ゆる形状の被加熱体を誘導加熱するのに適用可能である。
【００２９】
さらに、既述の第１及び第２実施形態では誘導加熱コイル１の上辺巻線部Ａ及び下辺巻線部Ｂを薄スラブ８の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°としたが、上辺巻線部Ａ及び下辺巻線部Ｂを薄スラブ８の幅方向に対して角度をもって配置するようにしても、また、上辺巻線部Ａ及び下辺巻線部Ｂを互いに交差させた巻線構造としても、既述の如き本発明の作用効果を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の如く、本発明に係る誘導加熱コイルは、コイル軸線に沿って一方向に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分と、この第１のコイル部分の終端に連結されかつコイル軸線に沿って一方向とは反対の他方向に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分とをそれぞれ有し、第１のコイル部分の巻線間に第２のコイル部分が配置されて第１及び第２のコイル部分を互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せ、第１及び第２のコイル部分を被加熱体の表裏両面の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°に設定し、第１及び第２のコイル部分の側部部分が被加熱体の側方において互いに交差する部分においてはリード角をそれぞれ＋９０°，−９０°に設定することにより軸方向電流成分を打ち消すように構成したものであり、また、本発明に係る誘導加熱装置は、上述の誘導加熱コイルを用いるようにしたものであるから、本発明に係る誘導加熱コイル及び誘導加熱装置によれば、被加熱体を高周波誘導加熱する際に、誘導加熱コイルからの電磁誘導によって被加熱体内に生ずる軸方向電流を打ち消すことができて循環電流の発生を防止することができる。さらに、本発明の誘導加熱コイルによれば、その構成上、高周波電力が接続される誘導加熱コイルの入口端子及び出口端子を任意の巻線部分に設けることが可能である。
【００３１】
そのため、以下の如き実用的な効果を得ることができる。
（１） 被加熱体と搬送ローラとの間で、循環電流によるスパークを生じない。結果として、スパークによる被加熱体の損傷と、搬送ローラの電食を防止することができる。従って、被加熱体からは高品質の製品を得ることができる一方、搬送ローラの耐久性の向上を図ることができる。
（２） 被加熱体中に流れる誘導電流に、外部を循環する軸方向電流すなわち被加熱体の加熱に有効でない有害な循環電流が無くなるので、被加熱体の加熱効率を向上させることができる。
（３） 特殊な搬送ローラや珪素鋼板を積層した鉄心等を使用する必要がなく、より安価で信頼性・耐久性に優れた誘導加熱装置（設備）をより容易な手法で、より廉価に提供することができる。
（４） 本発明に係る誘導加熱コイルは構造上、高周波電源に接続する入口端子及び出口端子を複数巻線の任意の巻線に設けることが可能であるため、設備のシステム設計上の自由度を向上させることができる。
（５） 高周波電源に接続する入口端子及び出口端子の端子構造によっては、リード線を引き回す距離が長くなって無効なインダクタンスが増えることとなるが、本発明の誘導加熱コイルにおいては同一の巻回箇所（ターン部分）にこれら両端子を設けることもできるのでリード線を引き回す必要がなくなる。これにより、無効なインダクタンスが最小になることで漏洩磁束が少なくなり、ひいては被加熱体の加熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る誘導加熱装置の要部を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の誘導加熱装置に用いられている本発明の第１実施形態に係る誘導加熱コイルの巻線構造を示すものであって、図２（ａ）は誘導加熱コイルの全体を示す斜視図、図２（ｂ）は誘導加熱コイルの側部部分を示す拡大斜視図である。
【図３】図２（ａ）の誘導加熱コイルの展開図である。
【図４】被加熱体である薄スラブの表面に流れる誘導電流を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る誘導加熱コイルの巻線構造を示す斜視図である。
【図６】図５の誘導加熱コイルの展開図である。
【図７】本発明に係る誘導加熱コイルを用いて薄スラブを誘導加熱した場合に生じる軸方向電流、及び、従来の誘導加熱コイルを用いて薄スラブを誘導加熱した場合に生じる軸方向電流の測定結果を示すグラフである。
【図８】従来の誘導加熱装置の要部の構成を概略的に示す斜視図である。
【図９】図８の誘導加熱装置の要部の断面図である。
【図１０】図８の誘導加熱装置に用いられている誘導加熱コイルのリード角（コイル巻線のリード角）を示す説明図である。
【図１１】図８の誘導加熱装置にて薄スラブを誘導加熱した場合に薄スラブに生じる誘導電流の成分を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１′ 誘導加熱コイル
１ａ，１ｃ 上側巻線部分
１ｂ，１ｄ 下側巻線部分
３，３ａ，３ｂ 搬送ローラ
４ 炉体
５ 断熱・絶縁用セメント
６ 開口部
７ シールド板
８ 薄スラブ（被加熱体）
１０ 入口端子
１１ 出口端子
１３ 第１のコイル部分
１４ 第２のコイル部分
１６，１７ 端部
１８ 折り返し点
Ａ 上辺巻線部
Ｂ 下辺巻線部
Ｐ，Ｑ コイル側部部分
Ｓ コイル軸線
α コイル軸線の一方向
β コイル軸線の他方向
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の搬送ローラ上に載置されて搬送される熱間圧延鋼等の周囲を取り囲んで熱間圧延鋼等の高周波誘導加熱（移動加熱）を行なうための誘導加熱コイル及びこの誘導加熱コイルを用いた誘導加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電炉ミニミルによるホットコイル製造ラインにおいては、連続鋳造される薄スラブ（熱間圧延鋼の一種）を加熱するために、高エネルギー密度の高周波電力による高周波誘導加熱が従来より広く利用されている。図８及び図９は連続製造ラインにおいて薄スラブを加熱するために従来より一般的に用いられている誘導加熱装置２０を示すものであって、この装置２０は、図外の連続鋳造部において連続鋳造されて加熱部に供給されてくる薄スラブ２１を移動状態の下で誘導加熱コイル２２にて誘導加熱（高周波移動加熱）するようにしたものである。
【０００３】
上述の誘導加熱装置２０は、図８及び図９に示すように、所定の搬送経路に沿って間隔を隔てて配列されたスチール製の複数の搬送ローラ２３と、互いに隣合う搬送ローラ２３の間に固定配置されたソレノイド型の誘導加熱コイル２２と、この誘導加熱コイル２２に高周波電力を供給する高周波電源２４とから構成されている。加熱手段として用いられる上述の誘導加熱コイル２２は、スパイラル状に複数回にわたり巻回されたソレノイド型のコイルであり、図８〜図１０に示す如く、下側巻線部分２２ａと、この下側巻線部分２２ａの一端から上方に立ち上がる側方巻線部分２２ｂと、この側方巻線部分２２ｂの上端に連なる上側巻線部分２２ｃと、この上側巻線部分２２ｃの一端から下方に立ち下がる側方巻線部分２２ｄとから成る１ターンの構成を繰り返し複数形成して成るものである。
【０００４】
かくして、薄スラブ２１は、このソレノイド型の誘導加熱コイル２２の中空部（コイル巻線によって取り囲まれた箇所）を通るように複数の搬送ローラ２３上に載置されて搬送されるようになっている。すなわち、図外の連続鋳造部から連続して供給される薄スラブ２１は、各々が同方向に等速で回転駆動されている複数の搬送ローラ２３上に載置されて所定方向（図８及び図９において矢印Ｘ方向）に搬送移動され、この際に高周波電源２４の高周波電力が誘導加熱コイル２２によって被加熱体である薄スラブ２１に伝達され、これにより、薄スラブ２１が移動中に所定温度に高周波誘導加熱されるようになっている。なお、この場合、薄スラブ２１の種類に応じて、薄スラブ２１の搬送速度と搬送ローラ２３の回転速度並びに高周波電源２４の高周波電力が調整され、薄スラブ２１の加熱温度の調整が行われる。
【０００５】
因みに、板厚が約２０ｍｍないし３０ｍｍ、板幅が約１０００ｍｍないし１４００ｍｍの薄スラブ（被加熱体）２１の上下両面を効率良く加熱できるように、誘導加熱コイル２２の開口部２５の形状すなわちコイル軸線Ｓ1 に対して直交する平面から見たコイル形状（コイルの巻回形状）が長方形となされると共に、この開口部２５の面積が必要最小限となるように決定される。そして、誘導加熱コイル２２の軸線Ｓ1 は、通常、薄スラブ３の軸線Ｓ2 とほぼ同一線上になるよう配置される（図９参照）。
【０００６】
また、誘導加熱コイル２２は高周波電源２４により励磁されるが、この高周波電源２４の周波数は、誘導電流の浸透深さが、薄スラブ２１の板厚の１／２以下となるよう、５ＫＨz ないし６ＫＨz 程度に選定される。誘導加熱コイル２２により発生する電磁界（磁束）は、薄スラブ２１中に渦電流を生ぜしめる。この渦電流をＩ、薄スラブ２１の電気抵抗をＲとすると、Ｉ2 Ｒのジュール熱が生じて、薄スラブ２１の温度が上昇する。加熱電力は大きい程、ミニミルの生産性とラインの短縮に有効であり、現状の技術で実現可能な最大級の１０００ＫＷないし２０００ＫＷ程度の大電力高周波電源２４と誘導加熱コイル２２とを一式として、数式から１０数式が薄スラブ搬送方向に縦列に配置されて、これらにより１つの加熱ラインが構成されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、誘導加熱コイル２２は、薄スラブ２１の加熱に有効であるコイル軸Ｓ1 に平行な磁束以外に、僅かではあるが無視し得ない有害な偏心磁束を発生する。なお、この偏心磁束は、ソレノイド型の誘導加熱コイル２２においては、一般的に、コイル巻線をコイル軸線Ｓ1 に沿う方向に移行しながらスパイラル状に巻くことすなわち所定のリード角θ（図１０参照）をもってコイル巻線を巻回することに起因して生じる。なお、この場合のリード角とは、図１０に示すようにコイル軸線Ｓ1 に対して直交する方向の直線Ｓ3 （コイル幅方向及び薄スラブ２１の幅方向に一致する方向の直線）と、誘導加熱コイル２２の上側巻線部分２２ｃとのなす角度であり、このリード角をθとすれば、 cosθが有効成分であり、 sinθが偏心磁束を生ずる成分となる。因みに、誘導加熱コイル２２の開口部２５の開口寸法を１６００ｍｍ×１１０ｍｍ、奥行寸法を２８０ｍｍ、巻線材料を５０ｍｍ×３０ｍｍの銅パイプとした例では、リード角θは約１°となる。
【０００８】
図１１は、リード角θを有するように巻回された誘導加熱コイル２２により電磁誘導されて薄スラブ２１の上面に生ずる誘導電流成分を示すものである。図１１に示すように、薄スラブ２１の上表面及びその付近には、前記上側巻線部分２２ｃに沿う方向に誘導電流ｉ0 が流れることとなるが、薄スラブ２１の誘導加熱に有効に寄与する成分として薄スラブ２１の幅方向に沿って流れる誘導電流成分ｉ1 ＝ｉ0 cosθが生じる一方、薄スラブ２１の誘導加熱を阻害する成分として薄スラブ２１の軸線Ｓ2 方向（若しくは誘導加熱コイル２２の軸Ｓ1 方向）に沿って流れる誘導電流成分ｉ2 ＝ｉ0 sinθが生じる。すなわち、偏心磁束が存在すると、薄スラブ２１の軸方向に流れる誘導電流成分ｉ2 を生ぜしめる（図８及び図１１参照）。
【０００９】
このように薄スラブ２１の軸線Ｓ2 方向に流れる誘導電流成分ｉ2 が生じると、図８において点線で示した軸方向電流ｉ2 は、誘導加熱コイル２２に対して薄スラブ搬送方向の下流側に配設された搬送ローラ２３ｂから接地ラインＧを経由して、誘導加熱コイル２２に対して薄スラブ搬送方向の上流側に配設された搬送ローラ２３ａに至り、薄スラブ２１に戻るループに沿って循環する循環電流となる。その結果、この循環電流により、薄スラブ２１と搬送ローラ２３ａとの間及び薄スラブ２１と搬送ローラ２３ｂとの間にスパーク（アーク）が発生され、搬送ローラ２３ａ，２３ｂに対応配置されている薄スラブ２１の裏面、特に、この裏面の側縁部分にスパークによる過熱で大きな損傷を生じると共に、搬送ローラ２３ａ，２３ｂの表面には電食を生じる。なお、コイル巻線のリード角は、図１０に示す薄スラブ幅方向に対するコイル巻線の機械的リード角θが零の場合であっても、巻線構造によっては零とならない。これは、単層・複巻のソレノイド型コイルにおいては奥行方向の寸法に応じて、軸方向電流成分が必ず存在するからである。
【００１０】
そこで、既述のような軸方向電流ｉ2 の発生を防止して薄スラブ２１の損傷並びに電食を防止するための最も一般的な対策として、従来では、複数の搬送ローラ２３を接地ライン（アース電位）から絶縁する対策を採用している。しかし、このような対策のためには、各々の搬送ローラ２３の絶縁を行なう必要があり、設備が複雑かつ高価になるという問題点がある。また、これとは別の対策としては、搬送ローラ２３をセラミックで作ることが挙げられるが、この場合には、セラミックローラは高価であり、しかも削れたり，割れたりする不具合があるため、耐久性に問題があるのが実状である。また、さらに他の対策は、ステンレススチールローラの表面をセラミックコーティングして成る搬送ローラ２３を用いたり、或いは搬送ローラ２３の軸を支持する架台を接地ラインより絶縁するような等々の対策が試みられたが、何れの場合も、装置の製造上の難易度，価格，耐久性の点で満足できるものではなかった。
【００１１】
また、軸方向電流ｉ2 を阻止する従来の他の対策としては、図９に示す如く、珪素鋼板を積層して成る鉄心３０を誘導加熱コイル２２の周囲に配設してこのコイル２２の外側に発生する磁路の全体ないしその一部を前記鉄心３０で覆うような対策を採用する場合もある。この場合には、珪素鋼板の平面の向きをコイル軸線Ｓ1 方向の磁束と平行に配置することにより、コイル軸線Ｓ1 方向と直交する磁束を前記鉄心３０にて遮断するようにしている。しかし、この対策は、大電力の設備には尚更であるが、鉄心３０の冷却並びに鉄心３０の支持構造が非常に複雑となって製造上の困難を伴う他、価格も非常に高価となり、満足できるものではなかった。
【００１２】
本発明は、上述した従来の技術の実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、誘導加熱コイルの巻き方を工夫することによって、薄スラブ等の被加熱体及び搬送ローラを循環して流れる誘導加熱に有害な循環電流（被加熱体と搬送ローラとの接触面等に生ずるスパークの原因となる循環電流）の発生を防止でき、従ってコイル軸方向に沿って被加熱体に流れる循環電流によって引き起こされる被加熱体の損傷並びに搬送ローラの電食の発生を防止することができるような誘導加熱コイル及びこのコイルを用いた誘導加熱装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明では、被加熱体を囲んで誘導加熱する単層巻き構造の誘導加熱コイルにおいて、コイル軸線に沿って一方向に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分と、この第１のコイル部分の終端に連結されかつ前記コイル軸線に沿って前記一方向とは反対の他方向に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分とをそれぞれ有し、前記第１のコイル部分の巻線間に前記第２のコイル部分が配置されて前記第１及び第２のコイル部分を互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せ、前記第１及び第２のコイル部分を前記被加熱体の表裏両面の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°に設定し、前記第１及び第２のコイル部分の側部部分が前記被加熱体の側方において互いに交差する部分においてはリード角をそれぞれ＋９０°，−９０°に設定することにより軸方向電流成分を打ち消すように構成している。
また、本発明では、前記第１及び第２のコイル部分の巻回数が互いに等しく設定するようにしている。
また、本発明では、
（Ａ） 所定の搬送経路に沿って間隔を隔てて配列された複数の搬送ローラと、
（Ｂ） 被加熱体を囲んで誘導加熱する単層巻き構造の誘導加熱コイルであって、コイル軸線に沿って一方向に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分と、この第１のコイル部分の終端に連結されかつ前記コイル軸線に沿って前記一方向とは反対の他方向に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分とをそれぞれ有し、前記第１のコイル部分の巻線間に前記第２のコイル部分が配置されて前記第１及び第２のコイル部分を互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せ、前記第１及び第２のコイル部分を前記被加熱体の表裏両面の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°に設定し、前記第１及び第２のコイル部分の側部部分が互いに交差する部分においてはリード角をそれぞれ＋９０°，−９０°に設定することにより軸方向電流成分を打ち消すように構成した、互いに隣合う前記搬送ローラの間に配置された前記誘導加熱コイルと、
（Ｃ） 前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、
をそれぞれ具備し、
前記複数の搬送ローラ上に載置されて所定方向に搬送される前記被加熱体を前記誘導加熱コイルの中空部を通過させることにより誘導加熱するようにしている。
また、本発明では、前記被加熱体は連続鋳造されて搬送されてくる薄スラブであり、この薄スラブの上面及び下面に対応配置される前記誘導加熱コイルのコイル巻線部分が前記薄スラブの幅方向に一致するように配置している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１〜図７を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１実施形態に係るソレノイド型の誘導加熱コイル１（図２（ａ）参照）を用いた誘導加熱装置２を示すものであって、本装置２は、電炉ミニミルによるホットコイル製造ラインにおいて連続鋳造される薄スラブを所要温度に誘導加熱する装置である。上述の誘導加熱装置２は、図１に示すように、所定方向に沿って間隔を隔てて互いに平行状に設置された複数の搬送ローラ３と、互いに隣合う搬送ローラ３の間に配置された炉体４と、この炉体４中に組み込まれた誘導加熱コイル１に高周波電力を供給する高周波電源（図示せず）とから構成されている。なお、図１においては互いに隣合う２つの搬送ローラ３ａ，３ｂ及びこれらの搬送ローラ３ａ，３ｂ間に配置された１つの炉体４から成る１組の搬送・加熱機構しか図示していないが、これと同様の搬送・加熱機構が薄スラブ搬送経路（ホットコイル製造ライン）に沿って等間隔（約７００ｍｍ間隔）を隔てた複数箇所にそれぞれ配設されている。そして、各搬送ローラ３は、図外の電動モータ等にて個々に回転駆動されるように構成されている。
【００１６】
上述の炉体４は、図２（ａ）及び図３に示す如き巻線構造を有するソレノイド型の誘導加熱コイル１を断熱・絶縁用セメント５にて被覆してその内部に収納配置すると共に、断熱・絶縁用セメント５の中心部分に薄スラブ挿通用の開口部６を形成し、さらにこの断熱・絶縁用セメント５の開口部６を除く前面と背面の他、底面をシールド板７で被って成るものである。なお、図示してないが、断熱・絶縁用セメント５の上面並びに左右両側面もできる限りシールド板７で被うのが望ましい。かくして、連続鋳造部において連続鋳造されて誘導加熱部に移送されてくる薄スラブ８は、誘導加熱部において複数の搬送ローラ３上に載置されて支持され、所定の搬送速度で複数の搬送ローラ３上を図１において矢印Ｘで示す方向に搬送移動されると共に、薄スラブ８が前記炉体４の開口部６内に貫通されてこの開口部６の中央部分を通過するように構成されている。なお、断熱・絶縁用セメント５内の誘導加熱コイル１には図外の高周波電源から所要周波数の高周波電力が供給されるようになっている。
【００１７】
次に、本発明の第１実施形態において用いられている誘導加熱コイル１の巻線構造について具体的に述べると、以下の通りである。すなわち、この誘導加熱コイル１は、図２（ａ）に示すようにコイル巻線を全体として計４回だけ矩形経路に沿って巻回して成るいわゆる４ターン構造のものであり、高周波電源の入口端子１０及び出口端子１１を左端の巻線部分（コイル軸線Ｓの方向においてコイル巻回の始端及び終端）に設けるようにしている。ここで、誘導加熱コイル１の巻線構造の理解を容易にするために、コイル巻線の展開図を図３に示すこととする。なお、図３に示す展開図は、図２（ａ）において符号Ｍ及びＮで示すコイル箇所をコイル軸線Ｓの方向に沿って互いに遠ざかる方向に広げた場合のコイル形状に相当するものである。
【００１８】
本実施形態の誘導加熱装置に用いられる誘導加熱コイル１は、図２（ａ）に明示するように、コイル軸線Ｓに沿って一方向（矢印α方向）に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分１３と、この第１のコイル部分１３の終端に連結されかつコイル軸線Ｓに沿って他方向（矢印β方向）に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分１４とを、互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せて成るものである。すなわち、上述の誘導加熱コイル１の巻回構造について詳述すると、まず、高周波電力の入口端子１０からコイル軸線Ｓの上方側の矩形経路（コ字状経路）に沿って巻回され、このコ字状の上側巻線部分１ａの端部１６においてコイル軸線Ｓに沿う矢印α方向に進行するようにかつコイル軸線Ｓに対して平行となるように屈曲されてからコイル軸線Ｓの下方側の矩形経路に沿って巻回されている。そして、この下側巻線部分１ｂの端部１７においてコイル軸線Ｓに沿う矢印α方向に進行するようにかつコイル軸線Ｓに対して平行となるように屈曲されてから次のコイル軸線Ｓの上方側の矩形経路に沿って巻回されている。かくして、このような巻回構造が繰り返して行なわれて２ターンの第１のコイル部分１３が形成されている。
【００１９】
さらに、矢印α方向に進行する第１のコイル部分１３の終端である折り返し端１８からは第２のコイル部分１４が連設されている。具体的には、前記折り返し端１８から上方に立ち上がってコイル軸線Ｓの上方側の矩形経路に沿って巻回され、このコ字状の上側巻線部分１ｃの端部１９においてコイル軸線Ｓに沿う矢印β方向に進行するようにかつコイル軸線Ｓに対して平行となるように屈曲されてからコイル軸線Ｓの下方側の矩形経路に沿って巻回されている。そして、この下側巻線部分１ｄの端部２０においてコイル軸線Ｓに沿う矢印β方向（前記α方向とは正反対の方向）に進行するようにかつコイル軸線Ｓに対して平行となるように屈曲されてから次のコイル軸線Ｓの上方側の矩形経路に沿って巻回されている。かくして、このような巻回構造が繰り返して行なわれて前記入口端子１０に対向する高周波電力の出口端子１１にまで巻き戻されて、これにより２ターンの第２のコイル部分１４が形成されている。
【００２０】
なお、図２（ａ）においては上側巻線部分１ａ，１ｃと下側巻線部分１ｂ，１ｄ（順・逆両巻線）との間のコイル側部部分Ｐ，Ｑが互いに交差するように図示されているが、実際には、図２（ｂ）に示すように互いに平行状にしかもコイル軸線Ｓに平行になっており、耐電圧がとれる最小の間隔（例えば、約１０ｍｍのギャップ）に設定され、インダクタンスを打ち消すように構成されている。一方、これらのコイル側部部分Ｐ，Ｑを除く各ターンの矩形コイル部分は互いに非接触状態の下で平行状に配置されている。そして、第１及び第２のコイル部分１３，１４が互いにオーバラップした状態で組合わされている。また、本例の誘導加熱コイル１の場合には、高周波電力の入口端子１０及び出口端子１１（高周波電力の入・出力端子）がコイル軸線Ｓ方向の一端箇所に配設されている。従って、第１のコイル部分１３にあっては高周波電力の入口端子１０側から奥行方向を見て左巻き（順方向）に巻回され、第２のコイル部分１４にあっては高周波電力の出口端子１１側から奥行方向を見て右巻き（逆方向）に巻回されており、入口端子１０から折り返し点１８までは左巻線であり、折り返し点１８から端子１１までは右巻線である。すなわち、一方側から見て同じ巻線方向であっても、一方側から他方側に向けて巻線を巻く場合と、他方側から一方側に向けて巻線を巻く場合とでは、巻線方向が逆の関係となっているのである。
【００２１】
また、前記上側巻線部分１ａ，１ｃ及び下側巻線部分１ｂ，１ｄはリード角が０°に設定されるものの、前記コイル側部部分Ｐ，Ｑにおいてはリード角がそれぞれ＋９０°，−９０°に設定されるようになっている。ここで、全体として１つの巻線を構成する第１のコイル部分１３と第２のコイル部分１４は、前記折り返し点１８で接続されており、かつコイル軸線Ｓを含む水平面に対して巻線が上下対称形状となされている（図３参照）。
【００２２】
かくして、このような巻回構造を有する誘導加熱コイル１は既述の如く炉体４中に組み込まれ、複数の搬送ローラ３にて搬送されてくる薄スラブ８の幅方向に対して平行となるように配置されるようになっている。従って、薄スラブ８の幅方向に対して誘導加熱コイル１の上辺巻線部Ａ及び下辺巻線部Ｂ（図２及び図３参照）が平行に配置され、リード角が０°となされる。
【００２３】
次に、本実施形態の誘導加熱装置２にて薄スラブ８を誘導加熱する場合の作用について述べると、以下の通りである。まず、連続鋳造された薄スラブ８が複数の搬送ローラ３上に載置されて炉体４に搬送され、炉体４の開口部６内に通される。一方、誘導加熱コイル１には図外の高周波電源から高周波電力が供給される。これに伴って誘導加熱コイル１に流れる高周波電流は、図２及び図３において矢印で示す如く、入口端子１０から上側巻線部分１ａ、この上側巻線部分１ａに連なる下側巻線部分１ｂ、さらにこれに連なる上側巻線部分及び下側巻線部分を順次に巡って折り返し端１８に至り、この折り返し端１８から上側巻線部分１ｃ、この上側巻線部分１ｃに連なる下側巻線部分１ｄ、さらにこれに連なる下側巻線部分及び上側巻線部分を順次に巡って出口端子１１に戻るように流れる。高周波電力にて誘導加熱コイル１が励起されるのに応じて交番磁束が発生され、この交番磁束により薄スラブ８の表面に渦電流が生ぜしめられる。この際に、薄スラブ８には、図４において矢印で示すように薄スラブ３の表面と裏面をループする渦電流（誘導電流ｉ）が流れ、これにより薄スラブ８が誘導加熱される。なお、この際の外部への漏洩磁束はシールド板７にて遮断されるため、外部への漏洩磁束による周囲の金属部材の発熱は防止される。
【００２４】
このような構成の誘導加熱装置２によれば、既述の如き巻回構造の誘導加熱コイル１を用いるようにしているので、コイル巻線のリード角を、左巻線である第１のコイル部分１３の傾斜部Ｐでθ（＋９０°）とすれば、右巻線である第２のコイル部分１４の傾斜部Ｑで−θ（−９０°）となり、軸方向電流成分を打消すことができる。この場合、インダクタンスも互いに打ち消されて好都合となる。よって、薄スラブ８に流れる誘導電流の成分中には、搬送ローラ３等を介して外部を循環する軸方向電流は生じないようにすることができる。現実的には、軸方向電流の大きさを無視し得る程度の微弱な値にまで低減することができる。
【００２５】
また、図５及び図６は、本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱コイル１′を示すものであって、この誘導加熱コイル１′は、高周波電源の入口端子１０及び出口端子１１を複数ターンの巻線中の巻線途中の任意箇所に設けたものである。なお、前記入口端子１０及び出口端子１１の配設位置が第１実施形態の誘導加熱コイル１の場合と異なる以外は、既述の誘導加熱コイル１と同様の構成である。このような構成の誘導加熱コイル１′にあっても、既述の誘導加熱コイル１の場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００２６】
以上の如き誘導加熱コイル１，１′による軸方向電流の低減効果を確認すべく実験を行ったところ、図７に示す如き結果を得た。なお、この際の測定条件は、以下の通りである。
測定条件
（１） 高周波電源の周波数 ： ５．５ＫＨZ
（２） 高周波電源の出力電圧 ： １０００〜２０００Ｖ
（３） 負荷 ： 無負荷
（４） 測定対象：１８００ｍｍ（長さ）×３０ｍｍ（幅）×６ｍｍ（厚さ）の銅板をループ状にして、コイル軸線上を通るループ電流をセンサにて測定
【００２７】
この実験結果から、本発明に係る誘導加熱コイル１，１′によれば、薄スラブ８に生じる軸方向電流（すなわち循環電流）を従来の誘導加熱コイルの場合に比べて約１／５０程度に低減できることが確認された。
【００２８】
以上、本発明の実施形態につき述べたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、誘導加熱コイル１，１′の巻回数（ターン数）は、偶数，奇数を問わず、任意に設定可能であり、その数に制限はない。また、誘導加熱コイル１，１′の入口端子１０及び出口端子１１は任意の巻線箇所に設けることが可能であり、かつ任意の２つの巻線部分に跨って設けることも可能である。また、既述の実施形態では被加熱体が薄スラブ８である場合について説明したが、本発明に係る誘導加熱コイル及びこれを用いた誘導加熱装置は、鋼材の他，アルミ，銅等の全ゆる金属材料の板，棒，パイプ等のような全ゆる形状の被加熱体を誘導加熱するのに適用可能である。
【００２９】
さらに、既述の第１及び第２実施形態では誘導加熱コイル１の上辺巻線部Ａ及び下辺巻線部Ｂを薄スラブ８の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°としたが、上辺巻線部Ａ及び下辺巻線部Ｂを薄スラブ８の幅方向に対して角度をもって配置するようにしても、また、上辺巻線部Ａ及び下辺巻線部Ｂを互いに交差させた巻線構造としても、既述の如き本発明の作用効果を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の如く、本発明に係る誘導加熱コイルは、コイル軸線に沿って一方向に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分と、この第１のコイル部分の終端に連結されかつコイル軸線に沿って一方向とは反対の他方向に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分とをそれぞれ有し、第１のコイル部分の巻線間に第２のコイル部分が配置されて第１及び第２のコイル部分を互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せ、第１及び第２のコイル部分を被加熱体の表裏両面の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°に設定し、第１及び第２のコイル部分の側部部分が被加熱体の側方において互いに交差する部分においてはリード角をそれぞれ＋９０°，−９０°に設定することにより軸方向電流成分を打ち消すように構成したものであり、また、本発明に係る誘導加熱装置は、上述の誘導加熱コイルを用いるようにしたものであるから、本発明に係る誘導加熱コイル及び誘導加熱装置によれば、被加熱体を高周波誘導加熱する際に、誘導加熱コイルからの電磁誘導によって被加熱体内に生ずる軸方向電流を打ち消すことができて循環電流の発生を防止することができる。さらに、本発明の誘導加熱コイルによれば、その構成上、高周波電力が接続される誘導加熱コイルの入口端子及び出口端子を任意の巻線部分に設けることが可能である。
【００３１】
そのため、以下の如き実用的な効果を得ることができる。
（１） 被加熱体と搬送ローラとの間で、循環電流によるスパークを生じない。結果として、スパークによる被加熱体の損傷と、搬送ローラの電食を防止することができる。従って、被加熱体からは高品質の製品を得ることができる一方、搬送ローラの耐久性の向上を図ることができる。
（２） 被加熱体中に流れる誘導電流に、外部を循環する軸方向電流すなわち被加熱体の加熱に有効でない有害な循環電流が無くなるので、被加熱体の加熱効率を向上させることができる。
（３） 特殊な搬送ローラや珪素鋼板を積層した鉄心等を使用する必要がなく、より安価で信頼性・耐久性に優れた誘導加熱装置（設備）をより容易な手法で、より廉価に提供することができる。
（４） 本発明に係る誘導加熱コイルは構造上、高周波電源に接続する入口端子及び出口端子を複数巻線の任意の巻線に設けることが可能であるため、設備のシステム設計上の自由度を向上させることができる。
（５） 高周波電源に接続する入口端子及び出口端子の端子構造によっては、リード線を引き回す距離が長くなって無効なインダクタンスが増えることとなるが、本発明の誘導加熱コイルにおいては同一の巻回箇所（ターン部分）にこれら両端子を設けることもできるのでリード線を引き回す必要がなくなる。これにより、無効なインダクタンスが最小になることで漏洩磁束が少なくなり、ひいては被加熱体の加熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る誘導加熱装置の要部を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の誘導加熱装置に用いられている本発明の第１実施形態に係る誘導加熱コイルの巻線構造を示すものであって、図２（ａ）は誘導加熱コイルの全体を示す斜視図、図２（ｂ）は誘導加熱コイルの側部部分を示す拡大斜視図である。
【図３】図２（ａ）の誘導加熱コイルの展開図である。
【図４】被加熱体である薄スラブの表面に流れる誘導電流を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る誘導加熱コイルの巻線構造を示す斜視図である。
【図６】図５の誘導加熱コイルの展開図である。
【図７】本発明に係る誘導加熱コイルを用いて薄スラブを誘導加熱した場合に生じる軸方向電流、及び、従来の誘導加熱コイルを用いて薄スラブを誘導加熱した場合に生じる軸方向電流の測定結果を示すグラフである。
【図８】従来の誘導加熱装置の要部の構成を概略的に示す斜視図である。
【図９】図８の誘導加熱装置の要部の断面図である。
【図１０】図８の誘導加熱装置に用いられている誘導加熱コイルのリード角（コイル巻線のリード角）を示す説明図である。
【図１１】図８の誘導加熱装置にて薄スラブを誘導加熱した場合に薄スラブに生じる誘導電流の成分を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１′ 誘導加熱コイル
１ａ，１ｃ 上側巻線部分
１ｂ，１ｄ 下側巻線部分
３，３ａ，３ｂ 搬送ローラ
４ 炉体
５ 断熱・絶縁用セメント
６ 開口部
７ シールド板
８ 薄スラブ（被加熱体）
１０ 入口端子
１１ 出口端子
１３ 第１のコイル部分
１４ 第２のコイル部分
１６，１７ 端部
１８ 折り返し点
Ａ 上辺巻線部
Ｂ 下辺巻線部
Ｐ，Ｑ コイル側部部分
Ｓ コイル軸線
α コイル軸線の一方向
β コイル軸線の他方向
Claims (4)
- 被加熱体を囲んで誘導加熱する単層巻き構造の誘導加熱コイルにおいて、
コイル軸線に沿って一方向に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分と、この第１のコイル部分の終端に連結されかつ前記コイル軸線に沿って前記一方向とは反対の他方向に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分とをそれぞれ有し、
前記第１のコイル部分の巻線間に前記第２のコイル部分が配置されて前記第１及び第２のコイル部分を互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せ、
前記第１及び第２のコイル部分を前記被加熱体の表裏両面の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°に設定し、
前記第１及び第２のコイル部分の側部部分が前記被加熱体の側方において互いに交差する部分においてはリード角をそれぞれ＋９０°，−９０°に設定することにより軸方向電流成分を打ち消すように構成したこと、
を特徴とする誘導加熱コイル。 - 前記第１及び第２のコイル部分の巻回数が互いに等しく設定したことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱コイル。
- （Ａ） 所定の搬送経路に沿って間隔を隔てて配列された複数の搬送ローラと、
（Ｂ） 被加熱体を囲んで誘導加熱する単層巻き構造の誘導加熱コイルであって、コイル軸線に沿って一方向に移行しながらスパイラル状に巻き進められる第１のコイル部分と、この第１のコイル部分の終端に連結されかつ前記コイル軸線に沿って前記一方向とは反対の他方向に移行しながら巻き戻される第２のコイル部分とをそれぞれ有し、前記第１のコイル部分の巻線間に前記第２のコイル部分が配置されて前記第１及び第２のコイル部分を互いに非接触状態の下でオーバラップするように組合せ、前記第１及び第２のコイル部分を前記被加熱体の表裏両面の幅方向に対して平行に配置してリード角を０°に設定し、前記第１及び第２のコイル部分の側部部分が前記被加熱体の側方において互いに交差する部分においてはリード角をそれぞれ＋９０°，−９０°に設定することにより軸方向電流成分を打ち消すように構成した、互いに隣合う前記搬送ローラの間に配置された前記誘導加熱コイルと、
（Ｃ） 前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、
をそれぞれ具備し、
前記複数の搬送ローラ上に載置されて所定方向に搬送される前記被加熱体を前記誘導加熱コイルの中空部を通過させることにより誘導加熱するようにしたことを特徴とする誘導加熱装置。 - 前記被加熱体は連続鋳造されて搬送されてくる薄スラブであり、この薄スラブの上面及び下面に対応配置される前記誘導加熱コイルのコイル巻線部分が前記薄スラブの幅方向に一致するように配置したことを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱装置。
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