一 以
Pd
d u dx
u
o 厚さ方向
rR k‑‑+‑hI X
図 3‑1 材厚方向の温度と気圧分布の様式図
。:温度、日:内部気圧、 u: 含水率
実線:内部加熱、破線:タ卜部加熱
高周波
(Q)織飽和点以上
(b)術革飽和点、以下
人
木口面方向
人
木口面方向
含 水 率 低 減
ーーーー‑
団 長
~
〆 〆
〆¥
¥p
¥ ¥〆 〆
¥ ¥
一 熱 一 同
ーーーー.... .... ‑←
‑ ‑ ‑ 一 ‑ ‑ ‑ ‑ 一 一
。 60
含 水 率 ( % )
図 3‑3 高周波加熱尉王担金溜皇の ! l J : 長要因とその忍県の発現
~l 燥時間
4
国 輔
‑
柑一
帥 一 一 ∞
率レ ト
﹃ ︐ ︐ ︐
A己
結合水域
30 10
熱風 ~Z 燥
結合水場 l 自由水婿〈日)I 自由水域(1)
10 30 含 水 率 ( % )
高周波加熱減圧~l:J:会 WZJ内き開票制ごよる低制多重力
~;9t.QM下による15温惹発
・・気圧差による湖本;涌力
第 4章 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 に お け る 加 熱 お よ び 減圧 条 件 と
乾 燥 速 度 と の 関 係
第 3章 で は 、 加 熱 の 方 法 や 木 材 内 部 気 圧 を 基 に し た 乾 燥 機 構 に つ
い て 検 討 し 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 は 幅 射 加 熱 減 圧 乾 燥 や 熱 風 乾 燥 に
比 べ て 、 木 材 内 の 水 分 移 動 に 有 利 な 乾 燥 法 で あ る こ と を 明 ら か に し
︒た
そ こ で 本 章 で は 、 高 周 波 加 熱 に よ る 材 混 と 減 圧 缶 内 の 気 圧 、 す な
わ ち 外 周 気 圧 を そ れ ぞ れ 変 化 さ せ た と き 、 こ れ ら 2つ の 因 子 が 乾 燥
速 度 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 す る 。 ま た 、 適 正 な 乾 燥 を 図 る た め に は 、
乾 燥 過 程 に お け る 高 周 波 の 加 熱 特 性 を 把 握 す る こ と が 重 要 で あ り 、
電 極 板 間 に 桟 積 み さ れ た 木 材 に つ い て 、 桟 積 方 向 と 長 さ 方 向 の 材 温
分 布 を 測 定 し た 。 そ し て 、 材 温 分 布 の 不 均 一で 生 じ る 乾 燥 の 問 題 点
を 指 摘 し 、 そ の 対 策 を 検 討 し た 。
1 . 実 験 方 法
1.1材 温 お よ び 外 周 気 圧 の 影 響 実 験
材 温 が 乾 燥 速 度 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 す る た め に 、 外 周 圧 力 を 60mm
Hg一定 に し て 、 材 温 を 40， 50、 60、 800Cの 4段 階 に 変 化 さ せ て 高周
影 響 を 検 討 す る 実 験 で は 、 材 温 を 500C一 定 に し て 、 外 周 気 圧 を 30、
40、 50， 60， 100mmHgの 5段 階 に 変 化 さ せ た 。
供 試 材 に は 、 厚 さ 30mm、 幅 200mm、 長 さ 600mmの ブ ナ 辺 材 ま さ 目 材
( 全 乾 比 重 : 平 均
o .
64)を 用 い た 。 な お 、 両 方 の 木 口 面 は エ ポ キ シ 樹 脂 で 被 覆 処 理 し た 。 1条 件 に つ き 3個 の 供 試 材 を 用 い 、 実 験 結 果 は その 平 均 値 で 求 め た 。
1.2高 周 波 加 熱 に よ っ て 生 ず る 材 温 分 布 の 測 定
桟 積 方 向 の 材 温 分 布 の 実 験 で は 、 8個 の 供 試 材 を 積 み 上 げ 、 各 供
試 材 の 木 口 面 か ら 150mmの 深 さ に 挿 入 さ れ た 棒 状 ア ル コ ー ル 温 度 計 で
材 温 を 測 定 し た 。 供 試 材 は 、 厚 さ 30mm、 幅 150mm、 長 さ 600mmの ハ ル
ニ レ 材 (全 乾 比 重 : 平 均 0.46) で あ っ た 。 両 方 の 木 口 面 は エ ポ キ シ 樹
脂 で 被 覆 処 理 し た 。
木 材 の 長 さ 方 向 の 材 混 分 布 の 実 験 で は 、 厚 さ 30mm、 幅 150mm、 長 さ
1500mmの ハ ル ニ レ 材 を 3個 用 い 、 木 口 面 は 被 覆 処 理 を し な か っ た 。
各 供 試 材 の 側 面 か ら 幅 の 中 心 部 ま で 棒 状 ア ル コ ー ル 温 度 計 を 挿 入 し 、
材 温 制 御 の 温 度 値 と 棒 状 ア ル コ ー ル 温 度 計 の 指 示 値 を 比 較 し た 。
2.
実 験 結 果 と 考 察2 . 1材 温 が 乾 燥 速 度 に 及 ぼ す 影 響
高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 に お け る 材 温 と 乾 燥 速 度 の 関 係 を 図 4‑1に 示 し
た 。 こ こ で は 、 含 水 率 を 生 材 '"'‑'30%、 30%'"'‑' 20%、 20%'"'‑' 10%の 3
つ の 範 囲 に 分 け て 、 各 含 水 率 域 に お け る 材 温 と 乾 燥 速 度 の 関 係 を 示
し て い る 。 実 験 で は 外 周 気 圧 は 60mmHg一 定 で あ り 、 こ の と き の 沸 点
は410Cで あ っ た 。 し た が っ て 、 材 温 が 50、 60、 お よ び 800Cの 条 件 で
は 、 乾 燥 初 期 に は 温 度 設 定 値 ま で 材 温 が 到 達 で き な く 、 含 水 率 が 約
50 % 以 下 に な っ た と き 、 設 定 温 度 の 条 件 で 実 験 を 行 う こ と が で き た 。
図4‑1に 示 し た 実 験 結 果 か ら 、 材 温 が 高 い ほ ど 乾 燥 速 度 は 高 く 、 こ の
傾 向 は 3つ の 含 水 率 範 囲 で 共 通 し て 認 め ら れ た 。
ま ず 、 含 水 率 が 生 材 '"'‑'30%の 範 囲 に お い て 、 材 温 が 400Cの と き 乾
燥 速 度 が 約
l%/hr
で あ っ た が 、 500C
で は こ の 約3
倍 で あ り 、 両 者 で 大き な 差 が 見 ら れ た 。 なお、 50、 60、 お よ び 800Cで は 、 温 度 変 化 に 対
す る 乾 燥 速 度 の 増 加 割 合 は 小 さ い こ と が わ か る 。 400Cと500Cで 乾 燥
速 度 に 著 し い 差 が 生 じ た 原 因 と し て 次 の こ と が 考 え ら れ る 。 外 周 気
圧 が 60mmHgの 実 験 条 件 で は 沸 点 は 約 420C4 8 ) で あ り 、 沸 点 以 下 の 400C
な 水 分 蒸 発 が 生 じ 細 胞 内 腔 中 の 湿 潤 空 気 の 膨 張 に よ り 内 部 気 圧 を 上
昇させ、 そ の 結 果 、 自 由 水 は 外 周 ヘ 流 動 移 動 し た と 考 え ら れ る 。 し
た が っ て 、 繊 維 飽 和 点 以 上 の 乾 燥 速 度 は 、 木 材 内 部 に 減 圧 が 及 ん だ
とき、 そ の 気 圧 で 蒸 発 が 決 定 さ れ る 沸 点 に 影 響 を 大 き く 受 け る こ と
が わ か る 。
次 に 、 含 水 率 が 30%以 下 で は 、 水 分 移 動 は 流 動 か ら 拡 散 へ と 移 行
す る た め 、 各 温 度 で 繊 維 飽 和 点 以 上 の と き よ り も 乾 燥 速 度 は 低 い 値
を 示 し た 。 ま た 、 材 温 と 乾 燥 速 度 の 聞 に は 正 の 相 関 性 が 認 め ら れ た 。
一般 的 に 、 材 温 の 上 昇 は 、 木 材 壁 中 に 吸 着 さ れ た 水 分 の 凝 着 力 を 低
下 さ せ 、 ま た 内 部 気 圧 を 増 加 し て 木 材 内 に 気 圧 差 を 生 じ さ せ る た め
に 、 水 分 の 拡 散 移 動 を 促 進 す る 効 果 が あ り 、 材 混 と 拡 散 の 聞 に 次 の
関 係 が 報 告 さ れ て い る 77 )。
D = D o
・e‑E / R・ T ‑・(4 ‑1 )ここで、
D
は 絶 対 温 度T
に お け る 拡 散 率(m/hr)
、D
0は1 /T
ごO
に お い て1 og Dか ら 求 め た拡 散 率 、 Rは ガ ス 定 数 (kcal/K'kmol)、 Eは 活 性 化
エ ネ ル ギ (kcal/kmol)を示 す 。 温 度 が 高 い ほ ど 乾 燥 速 度 が 大 き い 傾 向
割 れ は 無 か っ た が 、 800Cで は 内 部 割 れ が 観 察 さ れ 、 そ の 割 れ は 板 の
表 面 か ら 裏 面 ま で 貫 通 す る も の で あ っ た 。 し た が っ て 、 材 温 を 高 温
に 設 定 す る こ と は 、 乾 燥 速 度 の 増 大 に は 効 果 が あ る が 、 損 傷 に 対 し
て は 問 題 で あ る こ と が わ か り 、 温 度 の 上 限 は
6 0
0C
で あ る と 推 察 で きる。
2 . 2外 周 気 圧 が 乾 燥 速 度 に 及 ぼ す 影 響
高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 に お け る 外 周 気 圧 と 乾 燥 速 度 の 関 係 を 、 3つ
の 含 水 率 に 区 分 し て 求 め た 結 果 を 図
4‑2
に 示 し た 。 こ れ か ら 、 外 周 気圧 と 乾 燥 速 度 の 関 係 は 、 含 水 率 の 区 分 ご と に そ れ ぞ れ 特 徴 が 見 ら れ
る。 含水率が生材~ 30% の範囲において、気圧が 30~
60mmHg
の 範囲 で は 気 圧 の 変 化 に 対 し て 乾 燥 速 度 の 変 化 は 小 さ い が 、
100mmHg
で は乾 燥 速 度 に 著 し い 低 下 が 見 ら れ た 。 な お 、 実 験 で は 材 温 を
5 0
0C
に 設定 し て あ り 、 そ の と き の 飽 和 水 蒸 気 圧 は
92.5mmHg
で あ っ た こ と か ら4 8 ) 、 こ の 含 水 率 範 囲 の 水 分 移 動 は 、
90mmHg
ま で は 高 い 乾 燥 速 度 で あっ た と 推 察 さ れ る 。 また、
100mmHg
の と き 乾 燥 速 度 が 低 か っ た の は 、材 温 が 沸 点 以 下 で 木 材 内 の 蒸 発 が 少 な か っ た こ と に 起 因 す る と 考 え
る。
含水率が 30~
20%
の 範 囲 で は 、3 0
% 以 上 の と き に 比 べ て 実 験 し たと 気 圧 と の 聞 に 負 の 相 関 性 が 見 ら れ る が 、 30 % 以 上 の と き に 比 べ て
気 圧 に 対 す る 乾 燥 速 度 の 変 化 割 合 は 小 さ く 、 気 圧 へ の 依 存 性 が 低 く
な っ た こ と が わ か る 。 さ ら に 、 含 水 率 が 20% 以 下 で は 、 気 圧 の 変 化
に 対 す る 乾 燥 速 度 の 変 化 は ほ と ん ど 見 ら れ な い 。
以 上 の 外 周 気 圧 と 乾 燥 速 度 の 関 係 か ら 、 含 水 率 が 繊 維 飽 和 点 以 上
で は 、 水 分 移 動 は 外 周 気 圧 値 に 大 き く 影 響 を 受 け 、 特 に 材 温 が 設 定
し た 気 圧 に お け る 沸 点 よ り も 高 い と き 、 乾 燥 は 促 進 さ れ る 傾 向 が 示
さ れ た 。 一 方 、 繊 維 飽 和 点 以 下 で は 、 外 周 気 圧 の 変 化 に 対 し て 乾 燥
速 度 の 変 化 は 小 さ か っ た こ と か ら 、 含 水 率 の 低 下 と と も に 減 圧 に よ
る 乾 燥 の 促 進 効 果 は 次 第 に 薄 れ る こ と が 明 ら か と な っ た 。
乾 燥 材 の 割 れ を 観 察 し た 結 果 、 気 圧 が 30"'"'50mmHgの 範 囲 で は 内 部
に 割 れ が 生 じ て い た が 、 60お よ び 100rnmHgで は 生 じ て い な か っ た 。 気
圧 が 30"'"'50rnmHgの 範 囲 で 割 れ が 生 じ た 原 因 と し て 、 乾 燥 初 期 に 沸 点
の 低 下 で 高 周 波 は 連 続 的 な 照 射 と な り 、 内 部 水 蒸 気 圧 の 著 し い 上 昇
に よ っ て 木 材 内 部 で 部 分 的 な 割 裂 が 生 じ た と 推 察 で き る 。
材 温 と 外 周 気 圧 の 実 験 で 得 ら れ た 結 果 を ま と め る と 、 繊 維 飽 和 点
材 温 を 次 第 に 上 昇 さ せ る こ と に よ っ て 、 結 合 水 の 移 動 が 促 進 で き 、
ひ い て は 乾 燥 時 間 の 短 縮 に つ な が る も の と 考 え ら れ る 。
こ の よ う に 、 材 温 と 外 周 気 圧 の 一 連 の 実 験 を 通 し て 、 材 温 と 外 周
気 圧 条 件 が 乾 燥 速 度 に 及 ぼ す 効 果 は 乾 燥 過 程 の 含 水 率 値 に 大 き く 依
存 す る こ と が わ か り 、 こ の 現 象 は 加 熱 と 減 圧 の 効 果 の 発 現 を 模 式 化
し た 第 3章 の 図
3‑3
と 一 致 し て い る 。 し た が っ て 、 同 図 の 妥 当 性 が実 験 で 裏 づ け ら れ た と 言 え る 。
さ ら に 、 材 温 と 外 周 気 圧 が 乾 燥 速 度 に 及 ぼ す 影 響 が 大 き か っ た こ
と か ら 、 こ の 2つ の 因 子 は 乾 燥 ス ケ ジ ュ ー ル を 作 成 す る 際 有 効 な 指
標 と な る こ と が わ か る 。 こ の こ と に つ い て は 5章 で 詳 細 に 検 討 す る 。
2 . 3
高 周 波 加 熱 に お け る 材 温 分 布第 1章 で は 1つ の 木 材 内 の 温 度 分 布 を 考 察 し た が 、 こ こ で は 電 極
板 間 に 桟 積 み さ れ た 木 材 の 桟 積 方 向 と 長 さ 方 向 の 材 温 分 布 を 検 討 し 、
実 用 場 面 で 有 用 な 資 料 と し て 、 高 周 波 に よ る 加 熱 特 性 を 明 ら か に す
る。
棒 状 ア ル コ ー ル 温 度 計 の 指 示 値 が 高 周 波 で 影 響 を 受 け る こ と が 懸
念 さ れ た た め 、 実 験 で は 材 温 制 御 用 セ ン サ に 近 接 し て 棒 状 ア ル コ ー
ル 温 度 計 を 挿 入 し て あ る 。 乾 燥 の 全 過 程 で 材 温 制 御 用 セ ン サ と 俸 状
に 差 は 無 い こ と が 確 認 で き た 。 これは、 ア ル コ ー ル が 水 に 比 べ て 誘
電 率 が 低 く 3 4 ) 、 高 周 波 に よ る 加 熱 が 少 な か っ た た め で あ り 、 こ の 結
果 棒 状 ア ル コ ー ル 温 度 計 に よ る 温 度 計 測 に は 問 題 な い と 言 え る 。
( a
) 桟 積 方 向図
4‑3
は 、 桟 積 方 向 の 材 温 分 布 を 示 し た 。 ま ず 、 大 気 圧 下 で 生 材 を加 熱 し た と き の 材 温 分 布 図
4‑3(a)
に お い て 、 ア ー ス 電 極 側 の 材 温 は低 く 、 起 電 極 側 に 向 か う に し た が っ て 次 第 に 高 い 分 布 と な り 、 両 者
間 で 最 大 約 370Cの 差 と な っ た 。 こ の 結 果 か ら 、 高 い 含 水 率 の 木 材 を
大 気 圧 下 で 高 周 波 加 熱 す る と 、 桟 積 方 向 の 加 熱 む ら が 著 し い こ と が
わ か る 。
次に、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 中 の 桟 積 方 向 の 材 温 分 布 図
4‑3(b)
に おい て 、 乾 燥 を 開 始 し て 3時 間 後 に は 、 各 材 の 温 度 差 は 最 大 8oCで あ り 、
大 気 圧 下 に 比 べ て 著 し く 小 さ い こ と が わ か る 。 こ れ は 、 含 水 率 の 高
い 木 材 を 減 圧 下 で 加 熱 す る と 、 材 内 に 減 圧 が 進 行 し て 沸 点 以 上 に 温
度 が 上 昇 し 難 く な り 、 そ の 結 果 温 度 の ば ら つ き が 小 さ く な っ た と 考
え ら れ る 。 そ の 後 乾 燥 が 進 む と 、 ア ー ス 電 極 側 は 起 電 極 側 に 比 べ て