長 イ 旧 40
20
。 。 1 0 0 300 400 500
~l 燥時間 (hr )
図 1‑10 厚主を異にする木材の高周波加熱
減圧~ZJ議塁過
数字は木材の厚主を示す。
第 2章 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 に お け る 減 圧 の 作 用
前 章 で は 、 高 周 波 加 熱 に よ る 材 の 厚 さ 方 向 の 温 度 分 布 を 検 討 し 、
表 層 が 低 く 、 内 層 が 高 い 温 度 分 布 を 形 成 す る こ と を 明 ら か に し た 。
高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 は 、 高 周 波 加 熱 が 木 材 内 部 の 水 蒸 気 圧 を 上 昇
さ せ る 作 用 と 、 減 圧 が 木 材 の 内 外 に 気 圧 差 を 生 じ さ せ る 作 用 と の 組
み 合 わ せ を 特 長 と す る 乾 燥 法 で あ る 。 し た が っ て 、 木 材 乾 燥 の 仕 組
み を 温 度 の 分 析 だ け で な く 、 木 材 内 部 の 気 圧 の 観 点 か ら も 解 析 す る
こ と は 重 要 で あ る と 考 え る 。
そ こ で 本 章 で は 、 ま ず 木 材 内 部 ヘ 減 圧 が 進 行 す る と き の 減 圧 が 材
温 に 及 ぼ す 影 響 を 調 べ 、 次 に そ の 研 究 成 果 を 基 に し て 乾 燥 過 程 に お
け る 木 材 内 部 の 気 圧 と 乾 燥 の 関 係 を 検 討 し た 。
1 . 実 験 方 法
1.1木 材 内 気 圧 測 定
木 材 内 部 の 気 圧 測 定 方 法 を 図 2‑1に示 す 。 木 材 内 部 の 気 圧 の 検 出 は 、
供 試 材 に ガ ラ ス 管 を 挿 入 し て 行 っ た が 、 そ の と き 挿 入 部 か ら 空 気 が
も れ な い よ う に 図 2‑1(a)に 示 す 処 置 を 施 し た 。 す な わ ち 、 は じ め に
供 試 材 の 側 面 か ら 幅 方 向 に 直 径 10mmの 穴 を ド リ ル で 深 さ 50mmに あ け 、
次 に エ ポ キ シ 樹 脂 ( 誘 電 率
ε:3.5"‑4.5
、 誘 電 正接tanδ:0.002"‑0.05)
2 1 )で こ の 穴 を 充 填 し た 。 樹 脂 が 硬 化 し た 後 、 充 填 し た 樹 脂 の 中 央 部
分 を 貫 通 し て 供 試 材 の 幅 方 向 の 中 央 ま で と ど く 直 径
5mm
の ガ ラ ス 管 挿入 用 の 穴 を あ け た 。 こ の 穴 に ガ ラ ス 管 ( 外 径
5mm
、 内 径1 m m
) を 挿 入 した後、 ガ ラ ス 管 と 挿 入 口 の 間 隙 を エ ポ キ シ 樹 脂 で 塞 い だ 。 さ ら に 、
ガ ラ ス 管 と 減 圧 缶 の 外 側 に あ る 気 圧 測 定 用 水 銀 マ ノ メ ー タ と の 聞 を
塩 化 ビ ニ ル 管 で 接 続 し た 。 気 圧 測 定 点 は 、 図
2‑1(b)
に 示 し た と お り 、長 さ 方 向 に 5点 、 長 さ の 中 央 で 厚 さ 方 向 に 3点 、 計 7点 で あ っ た 。 た だ
し、 図
2‑1(b)
中 のC
点は、 長 さ 方 向 と 厚 さ 方 向 の 中 央 の 測 定 を 兼 ねた 。 気 圧 検 出 ガ ラ ス 管 と 水 銀 マ ノ メ ー タ を 接 続 し た 7本 の 塩 化 ピ ニ ル
管 は 、 管 内 の 容 積 を 等 し く す る た め に 、 長 さ を
5 m
に一 定 と し た 。圧 測 定 部 か ら 空 気 が 漏 れ て い な い こ と を 確 認 す る た め 、 両 方 の 木 口
面 を エ ポ キ シ 樹 脂 で 被 覆 処 理 し 、 常 温 下 で
1 0
分 間 予 備 的 に 減 圧 実 験を 行 っ た 。 各 点 の 空 気 も れ が な い こ と を 確 認 し た の ち 、 片 方 の 被 覆
を 除 去 し て 、 実 験 を 行 っ た 。
1 . 2各 種 試 験 に 対 す る 供 試 材
用 い た 。 長 さ 方 向 の 中 央 に 、 図 2‑1(a)に 示 す 空 気 漏 れ 防 止 処 理 を し
た ガ ラ ス 管 を 側 面 か ら 挿 入 し て 、 木 材 内 の 気 圧 を 測 定 し た 。 材 温 は 、
気 圧 の 測 定 点 か ら 繊 維 方 向 に 20mm離 れ た 位 置 に 挿 入 し た 白 金 抵 抗 体
温 度 セ ン サ で 測 定 し た 。 材 温 の 測 定 は 、 空 気 圧 測 定 と 同 様 に 空 気 漏
れ 防 止 処 理 を し た 図 2‑2に 示 す 方 法 で 行 っ た 。
( b
) 乾 燥 と 木 材 内 気 圧 の 関 係供 試 材 に は 、 厚 さ 100mm(接 線 方 向 )、 幅 200mm(半 径 方 向 ) 、 長
さ2000mm(繊 維 方 向 )の べ イ ツ ガ 生 材 を 用 い 、 方 の 木 口 面 を エ ポ
キ シ 樹 脂 で 被 覆 し て 、 長 尺 材 と 見 な し 得 る 条 件 を 設 定 し た 。 被 覆 処
理 し て い な い 片 方 の 木 口 面 で 、 幅 方 向 の 中 央 、 下 側 の 電 極 面 か ら 25
mmの 部 分 に 繊 維 方 向 に 沿 っ て 150mmの 穴 を ド リ ル で あ け 、 白 金 抵 抗 体
温 度 セ ン サ を 挿 入 し て 乾 燥 中 の 材 温 を 制 御 し た (図 2‑1(b))。 な お 、
乾 燥 条 件 は 、 減 圧 缶 内 の 気 圧 を 40mmHg一定 と し 、 材 温 は乾 燥 初 期 を
400C、 乾 燥 後 期 を 500Cと し た 。
2
. 実 験 結 果 と 考 察2 . 1木 材 内 気 圧 と 材 温 と の 関 係
木 材 内 部 に 減 圧 が 及 ぶ と 、 細 胞 内 腔 中 の 自 由 水 の 沸 点 は 降 下 す る
こ の こ と は 、 確 固 た る 物 理 現 象 と し て 理 解 で き る 。 但 し 、 乾 燥 過 程
の 因 子 が 煩 雑 に 絡 ん だ 木 材 内 部 で こ の 関 係 が 直 接 的 に 現 象 と し て 認
め ら れ る こ と は 難 し い と 予 測 さ れ る 。 そ こ で 、 本 節 で は 木 材 内 の
圧 と 材 温 を 計 測 す る こ と に よ っ て 、 気 圧 と 沸 点 の 関 係 を 明 ら か に す
る。
は じ め に 、 供 試 材 を 大 気 圧 下 で 80 OC (
: : t
1 'c ) に 達 す る ま で 高 周 波 加熱 さ せ 、
8 0
0C
に 到 達 さ せ た 後 、 高 周 波 の 発 振 と 停 止 を 繰 り 返 し て 材温 を 一定 に 保 持 し た 。 そ し て 、 減 圧 缶 内 を 次 第 に 減 圧 さ せ 、 木 材 内
気 圧 と 材 温 を 測 定 し た 。 図
2‑3
に そ の 結 果 を 示 し た 。 こ こ で 、 実 線 は木 材 内 の 気 圧 に 対 応 す る 飽 和 水 蒸 気 圧 温 度 、 す な わ ち 沸 点 を 示 し 、
ま た 矢 印 は 高 周 波 加 熱 と 減 圧 の 作 用 で 木 材 内 の 気 圧 と 材 温 が 変 化 す
る 方 向 を 示 す 。
実 験 に 用 い た プ ナ 材 の 空 気 透 過 係 数 は 、 辺 材 が
2 "‑'4darcy
、 心 材 が0 . 0 0 0 1 " ‑ ' O.OOldarcy
で あ り 2 6 ) . 5 1 ¥ 辺 材 と 心 材 の 空 気 透 過 性 に 大 き な 差 が あ る 樹 種 で あ っ た 。ま ず 、 生 材 の 辺 材 に お け る 気 圧 と 材 温 の 関 係 を 見 る と 、 木 材 内 が
270mmHg
ま で 減 圧 さ れ た 付 近 か ら 、 設 定 し た 温 度8 0
0C
よ り も 低 い 値 をり 低 く な る と 高 周 波 が 発 振 し て 木 材 を 加 熱 す る 機 構 で あ り 、 木 材 内
の 気 圧 が 270mmHg以 下 の 期 間 で は 高 周 波 が 連 続 的 に 発 振 し て い る こ と
が わ か る 。 こ こ で 、 高 周 波 電 圧 が 印 加 さ れ た に も か か わ ら ず 、 減 圧
と と も に 材 温 が 低 下 し た 理 由 は 、 木 材 内 で の 沸 点 降 下 が 温 度 上 昇 を
抑 制 し た た め と 考 え ら れ る 。 さ ら に 実 験 を 続 け た が 、 圧 低 下 の
限 値 は 65mmHgで あ り 、 外 周 の 気 圧 40mmHgま で は 到 達 し な か っ た 。 こ
れ は 、 高 周 波 加 熱 に よ る 空 気 膨 張 が 外 周 か ら の 減 圧 よ り 大 き か っ た
も の と 考 え る 。
乾 燥 し た 辺 材 で は 、 木 材 内 の 気 圧 が 低 下 し た に も か か わ ら ず 、 生
材 の よ う な 材 温 の 低 下 は 見 ら れ な か っ た 。 こ れ は 木 材 内 部 で 蒸 発 す
る 水 分 が 微 量 で あ り 、 気 化 熱 と し て の 放 出 量 が 少 な く 、 沸 点 の 降 下
が な か っ た た め と 考 え ら れ る 。
方 、 生 材 の 心 材 で は 、 外 周 の 減 圧 に も か か わ ら ず 、 木 材 内 部 の
気 圧 に 低 下 は 見 ら れ ず 、 逆 に 高 周 波 の 発 振 と 停 止 を 繰 り 返 す 過 程 で
気 圧 は 次 第 に 上 昇 し 、 1000mmHg以 上 に も 達 し た 。 ま た 、 乾 燥 し た 心
材 で は 、 測 定 期 間 中 に 減 圧 が 木 材 内 部 に 及 ば な か っ た た め に 、 初 期
の 気 圧 を 維 持 し 、 気 圧 の 変 化 が 見 ら れ な か っ た 。
以 上 の 結 果 か ら 、 木 材 内 に 減 圧 が 及 ぶ と 沸 点 の 降 下 現 象 が 見 ら れ
し た が っ て 木 材 内 部 は 大 気 圧 下 よ り も 低 い 温 度 で 蒸 散 す る こ と が 明
め ら れ た 。
2.2
乾 燥 過 程 と 木 材 内 気 圧 と の 関 係 ( a ) 生 材 の 気 圧 経 過 曲 線図
2‑4
は 、 生 材 を 室 温 下 で 減 圧 し た と き 、 長 さ 方 向 と 厚 さ 方 向 に 生じ る 気 圧 分 布 と そ の 経 過 を 示 し た 。 まず、 同 図 (
a
) の 長 さ 方 向 に お いて 、 開 放 し た 木 口 面 か ら 100mm内 部 に 入 っ た A点 で は 、 減 圧 缶 内 よ り
も 幾 分 遅 れ た 気 圧 変 化 を 示 す が 、 短 時 間 で 減 圧 さ れ て い る こ と が わ
かる。 500mm入 っ た B点 で は A点 よ り も 減 圧 が 遅 れ 、 約 5時 間 で 200mm
Hgに至 っ た 。 さ ら に 、 1000mm入 っ た C点 で は 、 こ れ ら 2点 よ り も 減
圧 が 遅 れ て い る 。 同 図 に お い て 、 木 口 面 か ら 繊 維 方 向 に 1000mmま で
の 距 離 で は 、 気 圧 と 距 離 の 聞 に 直 線 関 係 が 認 め ら れ 、 し た が っ て 空
気 透 過 量 と 距 離 の 聞 に 1次 の 負 の 相 関 が あ る こ と が わ か る 。 D点 と
E点は、 1時 間 の 減 圧 操 作 に も か か わ ら ず 気 圧 の 低 下 は 見 ら れ な い 。
一方、 D点 と E点も、 2時 間 経 過 す る と 約 100mmHgの 減 圧 が 見 ら れ 、
そ の 後 各 時 間 ご と に 2つ の 測 定 点 で 同 量 づ つ の 気 圧 低 下 を 示 し て い
る。
直 角 右 向 か ら 及 ん だ と 考 え ら れ る 。 し た が っ て 、 実 験 に 用 い た ベ イ
ツ ガ 材 で は 、 繊 維 方 向 か ら の 減 圧 が 及 ぶ 限 界 距 離 は 、 両 者 で 直 線 関
係 が 観 察 さ れ た 木 口 面 か ら 1000mmで あ る と 推 察 で き る 。
次に、 図
2‑4(b)
の 材 の 厚 さ 方 向 、 す な わ ち 繊 維 に 直 角 方 向 の 気 圧分 布 を 見 る 。 減 圧 初 期 に は 材 面 か ら の 距 離 に 対 し て 放 物 線 的 に 分 布
し て い た が 、 時 間 の 経 過 と と も に 直 線 的 と な り 、
2 4
時 間 を 経 る と 表層 と 内 層 聞 の 気 圧 差 は 小 さ く な っ た 。 繊 維 方 向 と 繊 維 に 直 角 方 向 の
気 圧 の 測 定 点 の う ち 、 材 面 か ら 5mmの F点 と 木 口 面 か ら 500mmの B点
で 、 各 気 圧 測 定 時 間 の 気 圧 値 は ほ ぼ 等 し い こ と が わ か る 。 両 者 を 距
離 で 比 較 す る と 、 B点 が F点 よ り 約 100倍 大 き い 。 こ の よ う に 、 2つ
の 測 定 点 で 減 圧 に よ る 気 圧 値 が 等 し い こ と と 、 距 離 に し て 100倍 の 差
が あ る と い う 2つ の 関 係 か ら 、 繊 維 方 向 の 気 体 透 過 度 は 繊 維 に 直 角
方 向 の そ れ よ り も 約 100倍 高 い と 推 測 で き る 。 こ の 関 係 は 、 従 来 の 研 究 結 果 と も 一 致 し て い る 2 8 )，3 0 )，4 6 )，5 1 ) 0
( b ) 乾 燥 過 程 の 木 材 内 部 気 圧 経 過 曲 線
乾 燥 を 開 始 し て
2 4
時 間 に わ た る 供 試 材 の 長 さ 方 向 と 厚 さ 方 向 の 木材 内 部 気 圧 の 推 移 を 図 2‑5に 示 し た 。 は じ め に 、 長 さ 方 向 の 気 圧 変 化
を 示 し た 同 図 の (
a
) で 検 討 す る 。 木 口 面 に 近 い A点 と B点 の 気 圧 は 、れるが、 O.5時 か ら 上 昇 に 転 じ 、 1 . 5時 で 最 大 値 に 達 し た 。 一 方 、 木
口 面 か ら 1000mm以 上 離 れ た C、 D、 お よ び E点は、 A点 で 見 ら れ た
減 圧 の 期 間 が な く 、 乾 燥 開 始 直 後 か ら 気 圧 は 上 昇 し て 、
1 . 5
時 に 最 大値 1200'"'‑'1300mmHgに 達 し た 。 材 温 が 400Cの 設 定 値 に 到 達 し 、 高 周 波
が 間 駄 的 に 印 加 さ れ る よ う に な っ た 1. 5時 以 降 は 、 A点 か ら E点 ま で
の 気 圧 は 漸 次 低 下 し 、 24時 に は 長 さ 方 向 の 各 気 圧 測 定 点 の 気 圧 差 は
小 さ く な っ た 。
次 に 、 厚 さ 方 向 の 気 圧 変 化 図 2‑5(b)を 検 討 す る 。 材 面 に 近 い F点
の 気 圧 は 、 高 周 波 加 熱 に も か か わ ら ず 漸 次 低 下 し て い る 。 そ し て 、
1時 間 の 乾 燥 で 、 室 温 で 実 験 し た と き よ り も 約 50mmHg低 い 気 圧 値 を
示 し た 。 こ の 原 因 と し て 、 図 1‑8の 含 水 率 分 布 に 示 さ れ た よ う に 、 短
時 間 の う ち に 材 の 表 層 付 近 で 乾 燥 が 進 行 し 、 気 体 透 過 性 が 向 上 し て
減 圧 さ れ や す い 条 件 に な っ た も の と 考 え る 。 一 方 、 図 1‑8で も 明 ら か
な よ う に 中 層 の G点は、 内 層 の C点 に 比 較 し て 高 周 波 加 熱 に よ る 温
度 上 昇 が 弱 い こ と か ら 、 内 層 で の 初 期 の 著 し い 気 圧 上 昇 傾 向 に 比 べ
て、 2時 間 ま で の 気 圧 上 昇 が 小 さ い 結 果 と な っ た 。