木材の高周波加熱減圧乾燥に関する研究

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Kyushu University Institutional Repository

木材の高周波加熱減圧乾燥に関する研究

谷口, 義昭

https://doi.org/10.11501/3123154

木 材 の 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 に 関 す る 研 究

谷 口 義 昭

目 次

緒 論

1 . 研 究 の 目 的 2. 既 往 の 研 究

3 .

s q ワ'

第 1章 木 材 の 減 圧 乾 燥 に お け る 高 周 波 加 熱 の 効 果 1 . 高 周 波 誘 電 加 熱

1 . 1原 理

1  .  2

2 . 1加 熱 法

2.2 乾 燥 応 力 測 定

2.3

3 . 実 験 結 果 と 考 察

3 . 1加 熱 法 に よ る 材 温 と 含 水 率 分 布

3.2

5 .図 表

円

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円︽U円︽

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第 2章 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 に お け る 減 圧 の 作 用 1 . 実 験 方 法

円I

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4. 図 表 64 

第 3章 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 の 機 構 75 

1 . 木 材 内 水 分 の 拡 散 移 動 と 毛 細 管 移 動 の 複 合 化 75 

2 . 自 由 水 と 結 合 水 の 移 動 77 

3 . 木 材 内 の 減 圧 に よ る 水 分 移 動 8 1 

4. 摘 要 85 

5 . 図 表 87 

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 9 1 

1 . 実 験 方 法 9 1 

1 . 1材 温 お よ び 外 周 気 圧 の 影 響 実 験 9 1  1 . 2高 周 波 加 熱 に よ っ て 生 ず る 材 温 分 布 の 測 定 92 

2 .

9 3  

2  .  1

9 3  

2.2 外 周 気 圧 が 乾 燥 速 度 に 及 ぼ す 影 響 95 

2.3

9 7  

3 . 摘 要 1 0 1 

4. 図 表 103 

第 5章 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 の 操 作 109 

1 . 乾 燥 過 程 の 含 水 率 監 視 11 0 

1 . 1高 周 波 電 極 間 電 圧 計 測 に よ る 測 定 原 理 11 0  1 . 2乾 燥 過 程 の 高 周 波 電 極 電 圧 の 計 測 11 2 

1 . 3実 験 結 果 と 考 察 11 2 

2. 乾 燥 ス ケ ジ ュ ー ル 11 5 

2 . 1実 験 方 法 1 1 5 

2.2実 験 結 果 と 考 察 11 6  ( 1 ) 乾 燥 速 度 と 空 気 透 過 性 の 関 係 11 6  ( 2 ) 樹 種 別 の 乾 燥 ス ケ ジ ュ ー ル 11 9 

( 3 ) 材 厚 別 乾 燥 時 間 の 推 定 124 

3 .狂 い の 抑 制 法 126 

3 . 1実 験 方 法 126 

3.2 実 験 結 果 と 考 察 126 

4. 摘 要 127 

5 . 図 表 130 

第

6

1 . 1供 試 材

1 . 2乾 燥 方 法

1 . 3評 価 項 目 と そ の 測 定 法 2 . 実 験 結 果 と 考 察

2 . 1物 理 的 性 質 ( 1 ) 収 縮 率 と 比 重

( 2 ) 平 衡 含 水 率 お よ び 吸 湿 性 ( 3 ^{) 吸 水 性}

( 4 )色調

2.2機 械 的 性 質 ( 1 ) 静 的 曲 げ 強 度 ( 2 ) 静 的 縦 圧 縮 強 度

145  145  146  148  150  150  150  152  154  155  158  159  1 6 1 

緒 論

1 . 研 究 の 目 的

木 材 は 、 古 来 か ら 私 た ち の 身 近 に 豊 富 に あ り 、 加 工 が 容 易 な 材 料

で あ っ た こ と か ら 、 住 宅 や 日 常 の 生 活 用 品 に 多 く 用 い ら れ て き た 。

と こ ろ が 、 こ の 住 宅 や 生 活 用 品 は 、 近 年 、 大 量 生 産 、 均 一 品質、 お

よ ぴ 低 価 格 へ の 適 合 が 容 易 な 合 成 高 分 子 材 料 、 金 属 材 料 、 セ ラ ミ ッ

ク 材 料 な ど 、 木 質 系 材 料 か ら 非 木 質 系 材 料 に 代 替 が 進 ん で い る 。 他

方 で は 、 非 木 質 系 材 料 が 木 材 特 有 の 性 質 が 巧 み に 生 か さ れ て き た 用

途 に ま で 進 出 す る と 、 調 湿 、 断 熱 性 の 不 良 に よ る 結 露 や カ ピ の 発 生 、

振 動 ・衝 撃 吸 収 性 の 低 下 に よ る 関 節 へ の 負 担 が 新 し い 課 題 に な り 、

ひ い て は 利 用 者 の 健 康 や 生 理 に か か わ る 問 題 が 多 発 し て い る 。

こ の よ う な 社 会 状 況 を 背 景 に し な が ら 、 社 会 の 安 定 と 生 活 の 充 実

に と も な い 、 木 製 品 ・木 質 系 製 品 へ の 回 帰 が み ら れ る 場 面 も 生 ま れ

つ つ あ る 。 す な わ ち 、 木 質 感 を 入 れ た 新 し い 感 覚 に 基 づ く 設 計 の 庖

舗 や オ フ ィ ス の 出 現 、 カ ー ペ ッ ト に 代 わ る 木 質 フ ロ ー リ ン グ に よ る

ア レ ル ギ 性 疾 患 対 策 、 公 園 の ベ ン チ 、 遊 具 、 木 レ ン ガ 等 の 外 構 材 な

ど 、 木 材 の 位 置 づ け が 見 直 さ れ つ つ あ る 。

木 材 工 業 は 、 建 築 資 材 や 建 築 部 材 の 生 産 に か か わ る 分 野 と 、 室 内

装 備 品 で あ る 家 具 ・建 具 を 生 産 す る 分 野 に 大 別 さ れ る 。 こ こ で は 、

こ と を ふ ま え て 、 木 材 利 用 が 抱 え て い る 現 状 に つ い て 考 え て み る 。

近 年 の 住 宅 建 築 で は 、 木 質 系 お よ び 非 木 質 系 材 料 を 利 用 す る プ レ

フ ァ プ 工 法 、 さ ら に は 木 材 材 料 に よ る 枠 組 み 壁 工 法 (2 

x 

の 普 及 が 目 ざ ま し い 。 こ れ ら の 工 法 に 多 く 用 い ら れ て い る 木 質 材 料

を 製 造 す る 産 業 で は 、 機 械 化 、 自動化、 省 力 化 、 お よ び ラ イ ン 化 を

通 し て 産 業 の 構 造 改 革 が 進 み 、 製 造 技 術 と 製 品 品 質 は 工 業 的 に は 高

い 水 準 に 到 達 し 、 材 料 で あ る 木 材 は 品 質 の 安 定 し た 「 工 業 化 、 規 格

化 材 料 」 で あ る と の 認 識 が 定 着 し て い る 。

一方、 前 述 の 新 し い 建 築 工 法 の 普 及 に 対 抗 す る た め に 、 わ が 国 在

来 の 軸 組 工 法 で も 、 新 し い 動 き が 生 ま れ は じ め た 。 す な わ ち 、 部 材

の プ レ カ ッ ト 化 、 セ ッ ト 化 、 ユ ニ ッ ト 化 で あ る 。 軸 組 工 法 住 宅 に 使

わ れ る 用 材 の 多 く は 、 国 内 産 針 葉 樹 材 が 中 心 の 柱 、 梁 、 桁 な ど の 製

材 品 で あ る 。 こ れ ら の 製 材 品 は 、 従 来 全 く 乾 燥 処 理 が 行 わ れ て い な

か っ た 。 と こ ろ で 、 プ レ カ ッ ト 化 に よ っ て 建 築 工 期 の 大 幅 な 短 縮 化

が 図 ら れ る た め に 、 今 ま で の よ う に 未 乾 燥 木 材 が 多 用 さ れ る と 、 竣

工 後 に 生 じ る 木 材 の 狂 い や 割 れ で 、 消 費 者 と 建 築 業 者 と の 聞 に 新 た

でき、 ま た 品 質 お よ び 価 格 の 面 で も 安 定 し て い る こ と か ら 、 「 工 業

化 、 規 格 化 材 料 」 で あ る と 見 な さ れ て い る 。

軸 組 工 法 住 宅 の 部 材 は 、 一 般 に 部 材 断 面 積 が 大 き い た め に 、 乾 燥

に 長 時 間 を 要 し 、 劣 悪 な 乾 燥 設 備 で は 割 れ な ど の 損 傷 を 誘 発 す る 傾

向 に あ る 。 い ま 木 材 工 業 界 に 導 入 さ れ て い る 乾 燥 機 を 使 っ て 、 ス ギ

柱 材 を 乾 燥 し た と き の 結 果 の 一 例 が 図 0‑1に 示 さ れ て い る 。 こ れ か ら 、

乾 燥 の 方 法 が 異 な る こ と に よ っ て 、 乾 燥 時 間 に 明 ら か な 相 違 が あ る

こ と が わ か る 。 乾 燥 に 要 す る 時 間 が 長 く な る と 、 工 業 化 材 料 と し て

の 資 質 を 問 わ れ る こ と に な り 、 天 然 乾 燥 は 乾 燥 に 約 3ヶ 月 を 要 す る

こ と か ら 、 工 業 化 材 料 の 生 産 と い う 視 点 で 課 題 を 生 じ て い る 。 ま た 、

熱 風 乾 燥 と 熱 風 循 環 減 圧 乾 燥 の 乾 燥 時 間 も 10日 か ら 15日 を 要 し 、 乾

燥 時 間 の 短 縮 化 に 対 し て は 適 合 し な い 。 一 方 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥

の 乾 燥 時 間 は 72時 間 あ り 、 短 時 間 で 、 か つ 大 量 生 産 に 適 応 で き る 乾

燥 方 法 と し て 、 こ の 乾 燥 法 は 適 合 す る こ と が わ か る 。 な お 、 高 周 波

加 熱 減 圧 乾 燥 は エ ネ ル ギ 源 が 電 気 で あ る こ と か ら 、 エ ネ ル ギ 単 価 は

高 い も の の 、 乾 燥 時 間 の 短 縮 あ る い は 自 動 運 転 化 や 作 業 環 境 の 向 上

が 可 能 で あ り 、 ひ い て は 労 働 条 件 の 改 善 に つ な が る 乾 燥 方 法 で も あ

る。 しかし、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 が 実 用 化 さ れ る に 至 っ て ま だ 目 が

浅く、 し た が っ て 乾 燥 機 構 の 解 明 は 不 十 分 で あ る た め 、 乾 燥 実 務 で

以 上 の よ う な 背 景 か ら 、 本 研 究 は 、 建 築 産 業 と 建 築 技 術 が 求 め て

い る 工 業 化 に 適 合 す る 木 材 材 料 を 実 現 す る 木 材 乾 燥 法 と し て 高 周 波

加 熱 減 圧 乾 燥 に 注 目 し 、 実 用 化 に 向 け て 一 つ の 指 針 を 与 え る こ と を

目 的 と し て い る 。

2 

乾 燥 時 間 の 短 縮 が 期 待 で き る 方 法 の 一 つ に 、 減 圧 乾 燥 法 が あ る 。

た だ 抱 え る 課 題 と し て は 、 減 圧 の 雰 囲 気 で は 空 気 の 対 流 が 少 な い た

め に 、 木 材 に 熱 を 如 何 に し て 伝 達 さ せ る か で あ っ た 。 そ こ で 、 加 熱

と 減 圧 を 繰 り 返 し て 行 う 方 法 が 、 松 本 39 ) に よ っ て 昭 和 10年 代 に 実 用

化 に 向 け て 検 討 さ れ た 。 こ れ は 、 大 気 圧 に 戻 し て 10 0 '"  1 1 0 

o c

度 で 加 熱 さ れ た た め 、 温 度 に よ る 材 の 損 傷 が 著 し く 、 そ の 後 蒸 気 乾

燥 が 乾 燥 の 主 流 と な っ た こ と も 原 因 し て 、 こ の 乾 燥 法 の 研 究 が 行 わ

れ な か っ た 。

乾 燥 時 間 の 短 縮 化 が 強 く 要 請 さ れ る に と も な い 、 再 び 減 圧 乾 燥 法

が 注 目 さ れ 、 中 西 ら ^{4 3} ) や 筒 本 ら ^{7 4} ) に よ っ て 検 討 さ れ た 。 循 環 す る

る 方 法 が あ る 。 金 川 ら 2 2 )は こ の 乾 燥 法 に つ い て 検 討 し 、 通 気性 の 良

好 な 木 材 は 乾 燥 時 間 の 短 縮 に 効 果 的 で あ る が 、 不 良 な 材 は こ の 効 果

が な く 、 ま た 板 の 厚 さ 方 向 に 生 じ る 急 峻 な 含 水 率 傾 斜 の た め 、 割 れ

に 考 慮 が 必 要 で あ る こ と を 報 告 し て い る 。 一 方、 乾 燥 室 内 に 占 め る

熱 板 の 容 積 比 率 が 高 く、 そ の 結 果 乾 燥 処 理 す る 材 積 が 少 な い と い う

欠 点 が 考 え ら れ る 。 そ こ で 、 容 積 問 題 の 解 決 策 と し て 、

S i m pso n

や 谷 口 ら 6 4 )は 熱 板 の 代 わ り に 薄 い シ ー ト 状 発 熱 体 を 用 い る 方 法 を 検

討 し て い る が 、 未 だ に 実 用 化 さ れ る に は 至 っ て い な い 。

次 に 、 加 熱 源 に 高 周 波 を 用 い た 減 圧 乾 燥 法 で あ る 高 周 波 加 熱 減 圧

乾 燥 に つ い て 概 説 す る 。 こ の 乾 燥 法 に 関 す る 研 究 報 告 は 、 福 岡 ら 7 ) ， 

8 )に よ る 論 文 が 最 も 古 い 。 こ こ で は 試 験 材 に ミ ズ ナ ラ 材 を 用 い 、 乾

燥 経 過 、 収 縮 率 、 高 周 波 出 力 と コ ロ ナ 放 電 の 関 係 、 放 電 で 生 じ る 木

材 の 損 傷 に つ い て の 基 礎 的 研 究 が 行 わ れ た 。 次 に 、 Gillwaldら9)は

試 験 材 に マ ツ 材 を 用 い 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 の 乾 燥 速 度 、 木 材 内 の

含 水 率 分 布 、 高 周 波 加 熱 乾 燥 と 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 の 消 費 エ ネ ル ギ

の 比 較 等 を 検 討 し て い る 。 金 川 ら は 、 4樹 種 の 試 験 材 を 用 い て 高 周

波 加 熱 減 圧 乾 燥 実 験 を 行 い 、 乾 燥 時 間 の 短 縮 、 含 水 率 分 布 、 乾 燥 応

力 を 求 め 2 3 )、 ま た 6樹 種 の 厚 材 や 難 乾 燥 材 へ の 同 乾 燥 法 の 適 用 2 8 ¥

さ ら に ス ギ 心 持 ち 角 材 へ の 適 用 2 5 )を 検 討 し て い る 。 河 辺 ら は 、 木 材

い て 熱 風 乾 燥 と 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 と の 比 較 、 さ ら に 木 材 の 長 さ と

厚 さ を 変 化 さ せ た と き の 長 さ お よ び 厚 さ の 変 化 と 乾 燥 速 度 の 関 係 を

検 討 し て い る 2 7 1 0 ま た 、 佐 々 木 ら 50 )は高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 に お い

て 木 材 内 部 の 気 圧 を 理 論 と 実 験 の 両 面 か ら 検 討 し、 乾 燥 機 構 の 解 明

に 考 察 を 加 え て い る 。 さ ら に 河 辺 ら 29 )は高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 の 適 用

を ス ギ 丸 太 材 に ま で 発 展 さ せ 、 赤 心 材 お よ び 黒 心 材 に つ い て 乾 燥 過

程 の 含 水 率 分 布 と 内 部 応 力 変 化 を 検 討 し 、 乾 燥 割 れ の 原 因 を 究 明 し

て い る 。

こ の よ う に 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 に 関 す る 従 来 の 研 究 で は 、 乾 燥

速 度 、 乾 燥 応 力 、 乾 燥 割 れ の 発 生 、 木 材 内 気 圧 の 数 値 解 析 な ど の 乾

燥 機 構 を 解 明 す る こ と が 中 心 で あ っ た 。 こ れ ら の 研 究 で 実 験 に 供 さ

れ た 試 験 材 は 、 一 部 を 除 き 小 寸 法 で あ り 、 特 に 水 分 移 動 量 が最 も 多

い 繊 維 の 方 向 に お け る 長 さ が 小 さ い 。 し た が っ て 、 得 ら れ た 研 究 成

果 を 実 用 規 模 の 乾 燥 に 適 用 す る に は 不 十 分 で あ る と 考 え る 。

一方 、 試 験 材 の 寸 法 や 材 積 の 大 き い 実 用 規 模 の 試 験 ・ 研 究 、 例 え

ば 厚 さ 50mm、 幅 100mm、 長 さ 2，400mm、 材 積 約 1.36m³の レ ッ ド オ ー ク

で 乾 燥 処 理 材 の 寸 法 安 定 性 に つ い て 報 告 し て い る 。

材 料 の 歩 止 り や 含 水 率 の ば ら つ き は 、 い ず れ も 乾 燥 現 場 で は 大 き

な 問 題 で あ る が 、 前 述 の HarrisやTrofatterら の 報 告 で は 、 そ れ ら の

改 善 策 お よ び 解 決 策 に つ い て は ま っ た く 検 討 さ れ て い な い 。

3 

本 研 究 で は 、 短 時 間 で 乾 燥 が 可 能 な 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 法 に 注

し、 こ の 乾 燥 法 に お け る 加 熱 の 仕 組 み か ら 乾 燥 の 操 作 、 乾 燥 材 の 性

質 に 至 る 乾 燥 の 基 礎 か ら 応 用 ま で を 有 機 的 に 結 び つ け る こ と を 目 的

に 、 実 験 的 研 究 を 行 っ た 。 以 下 で は 、 本 研 究 で 検 討 し た 内 容 を 章 を

追 っ て 概 説 す る 。

第 1章 で は 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 法 の 乾 燥 因 子 の う ち 加 熱 作 用 に

注 目 し て 、 は じ め に 高 周 波 加 熱 の 原 理 と 電 極 板 配 置 を 中 心 と し た 印

加 条 件 に つ い て 概 説 し た 。 次 に 、 乾 燥 過 程 に お け る 木 材 の 厚 さ 方 向

の 温 度 分 布 、 含 水 率 分 布 お よ び 乾 燥 応 力 の 推 移 を 検 討 し 、 内 部 加 熱

で あ る 高 周 波 加 熱 と 外 部 加 熱 で あ る 輯 射 加 熱 の 温 度 分 布 、 含 水 率 分

布 お よ び 乾 燥 応 力 分 布 の 相 違 点 を 明 ら か に し た 。 ま た 、 材 の 厚 さ と

乾 燥 時 間 の 関 係 に つ い て 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 法 と 輯 射 加 熱 減 圧 乾

燥 お よ び 熱 風 乾 燥 を 比 較 対 象 に し て 、 各 乾 燥 法 の 材 厚 の 増 加 に 対 す

利 な 乾 燥 法 を 追 求 し た 。

第 2章 で は 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 法 の 乾 燥 因 子 の う ち 減 圧 の 作 用

に 注 目 し て 、 乾 燥 過 程 に お け る 木 材 内 部 の 気 圧 に つ い て 検 討 し た 。

は じ め に 、 外 周 の 減 圧 が 木 材 内 部 に 及 ぶ 過 程 を 木 材 の 繊 維 方 向 お よ

び 繊 維 に 直 角 方 向 に つ い て 測 定 し 、 気 圧 傾 斜 が 水 分 移 動 に 果 た す 役

割 り を 考 察 し た 67 ) 。 ま た 、 木 材 内 へ 進 行 す る 減 圧 は 、 水 の 沸 点 を 降

下 さ せ る よ う 作 用 す る か 否 か を 、 材 温 と 材 内 気 圧 の 関 係 か ら 調 べ た 。

次 に 、 含 水 率 と 空 気 透 過 性 の 関 係 を 「 落 下 一 水 置 換 法 」 に よ る み か

け の 空 気 透 過 係 数 か ら 求 め 、 木 材 内 部 の 水 分 が 空 気 の 透 過 に 及 ぼ す

影 響 を 検 討 し た り ) 。

第 3章 で は 、 第 1章 と 第 2章 で 検 討 し た 高 周 波 加 熱 の 効 果 と 減 圧

の 作 用 で 得 ら れ た 研 究 成 果 を 踏 ま え 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 の 乾 燥 機

構 を 検 討 し た 。 ま ず 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 過 程 で 含 水 率 が 繊 維 飽 和

点 以 上 と そ れ 以 下 の 範 囲 で 乾 燥 挙 動 が 異 な る こ と を 指 摘 し 、 次 に 2

つ の 含 水 率 範 囲 に お け る 含 水 率 傾 斜 、 温 度 傾 斜 、 お よ び 蒸 気 圧 傾 斜

の 乾 燥 因 子 を 水 分 移 動 の 理 論 式 に 当 て は め 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 機

ジ ュ ー ル を 作 成 す る 上 で の 基 礎 資 料 を 得 た 61 )。

次 に 、 仕 上 が り 含 水 率 の ば ら つ き に つ い て 検 討 し

62¥

ら つ き は 乾 燥 中 の 電 極 板 間 に 桟 積 み さ れ た 木 材 の 垂 直 方 向 の 温 度 む

ら に 原 因 す る こ と を 明 ら か に し た 。 そ し て 高 周 波 印 加 中 に 電 極 板 間

の 木 材 が 均 一 な 温 度 分 布 で 加 熱 さ れ る よ う に 、 種 々 の 改 善 策 に つ い

て 考 察 し た^D

第 5章 で は 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 の 乾 燥 実 務 で 必 要 な 乾 燥 基 準 を

得 よ う と し た 。 そ こ で 、 ま ず 乾 燥 基 準 で 最 も 重 要 な 乾 燥 過 程 の 含 水

率 計 測 の 方 法 を 研 究 し 、 実 用 化 の 可 能 性 を 検 討 し た 。 次 に 、 乾 燥 ス

ケ ジ ュ ー ル を 作 成 す る 上 で 基 に な る 空 気 透 過 性 、 乾 燥 速 度 お よ び

4

傷 の 発 生 に つ い て 樹 種 別 に 調 べ た 。 得 ら れ た 含 水 率 計 測 、 空 気 透 過

性 、 乾 燥 速 度 、 お よ び 損 傷 の 研 究 成 果 を 統 合 し て 、 高 周 波 加 熱 減 圧

乾 燥 の 乾 燥 ス ケ ジ ュ ー ル を 作 成 し た 。

さ ら に 、 乾 燥 中 に 発 生 し や す い 反 り や ね じ れ の 損 傷 を 防 止 す る 方

法 と し て 、 木 材 の 変 形 を 拘 束 す る プ レ ス 処 理 に つ い て 検 討 し た 。

第 6章 で は 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 法 で 乾 燥 さ れ た 材 と 他 の 乾 燥 法

で 乾 燥 さ れ た 材 に つ い て 、 物 理 的 な ら び に 機 械 的 諸 性 質 を 比 較 検 討

し た 65 ) 。 こ こ で は 、 物 理 的 性 質 と し て 収 縮 率 、 比重、 平 衡 含 水 率

吸 湿 性 、 吸 水 性 、 お よ び 色 調 の 項 目 を 、 機 械 的 性 質 と し て 曲 げ ヤ ン

そ れ ぞ れ 検 討 し 、 乾 燥 法 の 違 い が 木 材 性 質 に 及 ぼ す 影 響 を 考 察 し た 。

L一一ーー一一ームーーーーーーーよーーー一一一一」一一一一一一一

一一一一一ー一+一一一一一一一+一一一一ー一一→一一一一一一一

一一一一一一一T一一ーーーーーT‑一一ーーーー寸一ー一ー一一一

1 5 日 ; ;

1 0 日 l 2 5 ∞ 

3 ケ月 2 α

匝

1 5 ∞

盤 ‑

C f f i

日x)

( ‑ E )  

又然乾燥又然乾燥熱風乾燥熱風循環高周波加熱

+ 

熱風乾燥

乾燥の方法を異にするときのスギ柱材の乾燥時間印)

1 1 . 5X1 1 . 5 X 2 α

。

図0‑

1

第 1章 木 材 の 減 圧 乾 燥 に お け る 高 周 波 加 熱 の 効 果

諸 工 業 で 扱 う 乾 燥 と は 、 「 水 分 を 含 有 し た 材 料 か ら 熱 の 導 入 に よ

り 水 分 を 気 化 蒸 発 さ せ て 、 固 形 製 品 を う る 操 作 で あ る 。 J 3 1 )と 定 義

さ れ 、 乾 燥 に お い て 熱 は 重 要 な 因 子 で あ る こ と が わ か る 。

さ て 、 材 料 に 熱 を 導 入 す る 方 法 と し て 、 工 業 的 に は 次 の 4つ に 大

別 で き る 。

① 加 熱 さ れ た 空 気 を 循 環 さ せ て 材 料 表 面 に 熱 を 伝 達 す る 方 法 。

② 加 熱 さ れ た 液 体 や 気 体 を 熱 板 に 循 環 さ せ 、 こ れ を 材 料 に 接 触 さ せ

て 熱 を 伝 達 す る 方 法 。

③ 熱 源 か ら 放 射 さ れ た 赤 外 線 や 遠 赤 外 線 が 材 料 に 当 た っ て ￨ 吸 収 さ れ 、

材 料 表 面 付 近 で 再 び 発 熱 す る 方 法 。

④ 高 周 波 や マ イ ク ロ 波 な ど の 交 番 電 界 中 に 材 料 を 置 い た と き 、 材 料

の 誘 電 体 損 に よ っ て 内 部 か ら 発 熱 す る 方 法 。

① ③ は 放 射 ・対 流 ・伝 導 に よ っ て 材 料 の 表 面 か ら 内 部 に 熱 が 移 動

す る 外 部 加 熱 機 構 で あ り 、 ④ は 材 料 内 部 で 自 己 発 熱 す る 内 部 加 熱 機

で は 、 乾 燥 に 比 較 的 長 時 間 を 要 す る こ と に 幾 分 問 題 が あ る こ と は 既

に 指 摘 し た 。

そ こ で 本 研 究 で は 、 木 材 を 短 時 間 に 乾 燥 す る 方 法 と し て 減 圧 乾 燥

法 に 注 目 し 、 そ の 加 熱 源 に 減 圧 の 雰 囲 気 で も 加 熱 が 可 能 な ④ の 高 周

波 加 熱 法 を 用 い る こ と に し た 。

本 章 で は 、 木 材 乾 燥 機 構 を 解 明 し た り 、 乾 燥 操 作 指 針 を 確 立 す る

上 で 重 要 な 高 周 波 加 熱 の 原 理 を は じ め に 概 説 し 、 次 に 減 圧 乾 燥 に お

け る 高 周 波 加 熱 の 効 果 を 検 討 す る 。

1 . 高 周 波 誘 電 加 熱

1 . 1原 理

あ る 電 界 内 に 電 気 絶 縁 性 の 物 質 が 置 か れ た と き 、 物 質 内 の 自 由 電

子 は 巨 視 的 に 移 動 で き な い た め 電 流 は 流 れ な い が 、 正 電 荷 と 負 電 荷

か ら な る 構 成 分 子 内 の 電 気 双 極 子 は 、 平 衡 点 か ら 微 視 的 に 変 位 し て

分 極 現 象 を 生 じ る 。 こ の よ う な 性 質 を 示 す 物 質 は 誘 電 体 と 呼 ば れ 、

木 材 や プ ラ ス チ ッ ク な ど が こ れ に 属 す る 。

通常、 誘 電 体 内 の 電 気 双 極 子 は 任 意 の 方 向 を 向 い て い る が 、 こ れ

に 図 l‑l(a)で 示 す 直 流 電 圧 が 印 加 さ れ る と 、 電 気 双 極 子 は 電 場 に 相

応 す る よ う に 配 向 し て 整 列 す る 。 そ こ で 、 印 加 す る 電 圧 を 直 流 か ら

位 相 の ず れ が 生 じ 、 近 接 す る 双 極 子 同 士 は 互 い に 衝 突 や 摩 擦 を し 合

い、 そ の 結 果 熱 が 発 生 す る ( 図 l‑l(b)) ^{5 3 ) • 6 0 )} 。

以 上 は 現 象 面 を 模 式 的 に 説 明 し た が 、 こ れ を 電 気 的 に 説 明 す る と

次 の よ う に な る 。 図 l‑l(c)に 示 す よ う に 、 木 材 に 電 極 板 を 介 し て 交

番 電 圧 Eが印 加 さ れ る と き 、 こ の 等 価 電 気 回 路 は 図 l‑l(d)で 表 わ さ れ

る。 こ の と き 、 木 材 内 で 消 費 さ れ る 電 力 PRは、 電 流 1R Wと 抵 抗 Rw

を 用 い て 次 式 で 示 さ れ る 77 )。

PR二 E・1R W 二 E2 / R w  ^{EEA  ︑}︐^{︑ ︐ ︐}

4EEA 

︐ ︐

E︑

•

•

•

•

一 方、 コ ン デ ン サ 成 分 Cwの リ ア ク タ ン ス XCwは、

X 

n/U 

4EEA 

/I︑

•

•

• ω. 

2 

f . C 

で あ る 。 ここで、 ω は 角 周 波 数 、 fは 周 波 数 で あ る。

図 l‑l(d)の等 価 電 気 回 路 に お い て 、 抵 抗Rwに 流 れ る 電 流 1R Wは

交 番 電 圧 Eと 同 位 相 に な る が 、 コ ン デ ン サ 側 の 電 流 1C wは π/2だ け

電 圧 と 位 相 が ず れ る 性 質 が あ る (図 l‑l(e))。 そ こ で 、 2つ の 電 流

の 合 成 で あ る 全 有 効 電 流 1Tは 電 圧 と (90' ‑δ )だ け 位 相 が ず れ る こ

こ れ に 式 (1 ‑2 ) を 代 入 す る と 、 式 (1 ‑3 ) は 次 の よ う に な る 。

tanδ 二

2π.f.Cw.Rw  ^‑・(1 ‑4 ) 

こ の 式 (1 ‑4 ) 中 の 抵 抗 Rwに 式 (1 ‑1 )中の Rwを 代 入 し て 、 木 材 内 で 消

費 さ れ る 電 力

P

P R = 2π.f.E2.Cw.tanδ  ^︑︑J^I

Fhd 

eEEA 

︐ ︐ ︐

•

•

•

•

•

•

と な る 。 ま た コ ン デ ン サ 成 分 Cwは 、 木 材 誘 電 体 の 誘 電 率 ε、 電 極

板 面 積 A、 お よ び 電 極 板 距 離 dと の 聞 に 次 の 関 係 が あ る 。

ε . A  

Cw = 

X10 ‑

11 . 3d  ^‑・(1 ‑6 ) 

し た が っ て 、 2枚 の 電 極 板 に 挟 ま れ た 木 材 の 単 位 体 積 当 り 、 単 位 時

聞 に 消 費 さ れ る 電 力 Pは 次 式 と な る 。

P=O.556f.Eo2・ε .tanδ ^・

1 0 ‑

可I

4EaA ︐︐

EE

︑•

•

•

•

•

ここで、

E

E/d

表 さ れ る 。 な お 、 木 材 内 で 消 費 さ れ る 電 力 量 は 、 木 材 自 身 を 発 熱 さ

せ る 熱 エ ネ ル ギ に 変 換 さ れ る こ と か ら 、 式 (1 ‑7 )中の Pは 木 材 内 部 の

発 熱 量 で も あ る こ と が わ か る 。

表 1‑1に 木 材 の 誘 電 的 性 質 を 示 し た 。 木 材 の 誘 電 率 と tanδ は、

い ず れ も 含 水 率 の 増 加 に よ っ て 増 大 す る こ と が わ か る 。 し た が っ て

き ほ ど 多 い こ と が 式 (1 ‑7 ) か ら 明 ら か で あ る 。

木 材 の 加 熱 に は

3MHz'"30MHz

こ の 周 波 数 帯 域 は 高 周 波 と 呼 ば れ て い る 。 木 材 の よ う な 誘 電 体 を 加

熱 す る こ と を 一般 的 に 高 周 波 誘 電 加 熱 と 言 わ れ て い る が 、 本 研 究 で

は 「 誘 電 」 の 用 語 を 略 し て 、 単 に 『 高 周 波 加 熱 』 と 呼 ぶ こ と に す る 。

なお、 こ の 高 周 波 は 、 通 信 用 レ ー ダ 、 テ レ ビ や ラ ジ オ 放 送 な ど に 近

接 す る 周 波 数 帯 域 の 電 波 の 一種 で あ り 、 工 業 用 加 熱 装 置 に 用 い る 周

波 数 は 、 電 波 障 害 を 避 け る た め に 、 電 波 法 で 厳 重 に 規 制 さ れ て い る 。

現 在 工 業 用 加 熱 装 置 に 割 り 当 て ら れ て い る 周 波 数 は 、 6. 7、 13 . 6、 2

7  .  1

40.7MHz

13.6MHz

1 . 2 印 加 条 件 設 定 ( 特 に 、 電 極 板 配 置 )

高 周 波 で 木 材 を 誘 電 加 熱 す る 場 合 、 図 l‑l(c)で 示 す よ う に 2枚 の

平 板 状 の 電 極 板 が 用 い ら れ る が 、 こ れ に 高 周 波 が 印 加 さ れ る と 、 進

行 波 と 電 極 板 端 部 で 反 射 し た 反 射 波 と の 干 渉 に よ っ て 定 在 波 が 生 じ

そ こ で 、 大 気 圧 下 で 電 極 板 に 給 電 す る 位 置 と 電 圧 分 布 の 関 係 22 )を

図 1‑2に 示 し た 。 同 図 に お い て 、 電 圧 は 給 電 点 で 最 も 低 く 、 こ れ か ら

離 れ る と 次 第 に 高 く な る 傾 向 が あ り 、 明 ら か に 定 在 波 の 影 響 が 見 ら

れ る 。 そ こ で 、 長 さ 方 向 の 電 圧 差 の 許 容 値 を 10%と す る と き 、 電 極

板 の 一 端 か ら 給 電 し た 場 合 ( 図 1‑2(a))の 電 極 の 許 容 限 度 長 さ Q(m)は

次 式 で 表 さ れ る 5 6) o

Q 

= 

F"コー)

ここで、 fは 周 波 数 (M H 

z 

ε

表 1‑1に は 、 周 波 数 と 誘 電 率 か ら 求 め た 含 水 率 ご と の 電 極 の 許 容 限

度 長 さ も 併 せ て 示 さ れ て い る 。 材 乾 燥 で は 、 一般 的 に 約 100% の 含

水 率 の 木 材 を 約 10%ま で 乾 燥 す る が 、 こ の と き 電 極 の 許 容 限 度 長 さ

は0.35m か ら 1.07 m ま で 変 化 す る こ と に な る 。 す な わ ち 、 乾 燥 初 期

の 電 極 の 許 容 限 度 長 さ は 乾 燥 末 期 の そ れ に 比 べ て 約 1/3と短く、 し た

が っ て 長 尺 材 を 加 熱 す る と き に は 乾 燥 初 期 の 加 熱 む ら が 問 題 に な る 。

そ こ で 、 こ の 問 題 を 解 決 す る に は 、 高 周 波 を 給 電 す る 位 置 や 給 電 を

分 割 す る 方 法 も 考 慮 す る 必 要 が あ る こ と が わ か る ( 図 1‑2(b)、 (c ) 。)

2 

( 1 ) 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥

実 験 に 用 い た 装 置 の 概 要 を 図 1‑3に 示 し た 。 直 径 750mm、長さ 2

，

mm ( 材 の 有 効 積 載 寸 法 : 幅 500X高 さ 450X長 さ 2

，

の 内 部 に 供 試 材 ③ を 置 き ( 上 段 に は 、 加 熱 補 助 木 材 ④ を ダ ミ ー と し て

入 れ る )、 上面、 中 央 、 下 面 に ア ル ミ ニ ウ ム 製 電 極 板 ② を セ ッ ト し

た 。 周 波 数 13.6MHz、 出 力 3kwの 高 周 波 発 振 機 ⑥ を 用 い 、 高 周 波 発 振

機 の 起 電 極 部 と 木 材 側 の 中 央 の 電 極 板 を 、 ま た ア ー ス 電 極 部 と 木 材

側 の 上 下 面 の 電 極 板 を そ れ ぞ れ 連 結 し て 、 高 周 波 を 印 加 し た 。 起 電

極 板 へ の 給 電 は 、 長 さ の 中 央 の 位 置 と し た 。 乾 燥 中 の 材 温 は 、 木 材

に 挿 入 し た 温 度 セ ン サ ⑬ で 検 出 し た 。 白 金 抵 抗 体 温 度 素 子 の 温 度 セ

ン サ は 高 周 波 電 場 の 影 響 を 受 け て 、 真 の 温 度 値 を 指 示 し な い 性 質 が

あ る が 、 温 度 セ ン サ の 設 定 位 置 を 変 え て 実 験 し た 結 果 、 ア ー ス 電 極

板 か ら 木 材 の 厚 さ 方 向 の 1/4の 高 さ で は 高 周 波 電 場 の 影 響 を 受 け ず に

温 度 計 測 が で き る こ と が 明 ら か と な っ た 。 実 験 で は 、 木 口 面 で 木 材

の 幅 方 向 の 1/2お よ び 厚 さ 方 向 の 1/4の 位 置 に 、 長 さ 方 向 に 150mmの 深

さ ま で ド リ ル で 穿 孔 し 、 温 度 セ ン サ を 挿 入 し た 。 一方 、 減 圧 缶 内 の

定 器 ③ で 測 定 し た 。 供 試 材 は 一 定 時 間 ご と に 乾 燥 機 か ら 取 り 出 し て

秤 量 し 、 そ の 乾 燥 経 過 を 把 握 し た 。

1 . 1 . 2 そ の 他 の 乾 燥

( 1 ) 幅 射 加 熱 減 圧 乾 燥

直 径 300mm、 奥 行 き 300mmの 円 筒 形 の 加 熱 ・ 減 圧 缶 か ら な る 輯 射 加

熱 減 圧 乾 燥 装 置 を 用 い た ( 図 ト

4 (  a  ) 

置 き 、 側 壁 か ら 電 気 ヒ ー タ に よ る 稿 射 加 熱 に よ っ て 加 熱 さ れ 、 ま た

奥 壁 の 一 端 か ら 真 空 ポ ン プ (150~/min) で減 圧された。なお、正面

の 開 閉 扉 の 窓 に 鉱 質 繊 維 板 を 張 り 、 こ れ に 材 温 測 定 用 の 熱 電 対 温 度

計 の 取 り 出 し 口 を 3ケ 所 設 けた。

( 2 ) 熱 風 乾 燥

容 積 が 800x 1，500 x 800mmで、 室 内 の 乾 球 温 度 と 湿 球 温 度 、 お よ び

風 速 の 調 整 が 可 能 な 電 気 ヒ ー タ に よ る 内 部 送 風 型 乾 燥 機 を 用 い た

(図 1‑4(b)) 。 な お 、 実 験 で は 、 風 速 を 約 5m/sec一定 に し た 。

本 章 以 降 の 乾 燥 実 験 は 、 こ こ で 示 し た 乾 燥 装 置 お よ び 乾 燥 方 法 に

よ っ て 行 っ た 。

2.2乾 燥 応 力 測 定

乾 燥 応 力 の 測 定 に は 、 図

1‑ 5

を 厚 さ 方 向 に

5

と Q，を ダ イ ヤ ル ゲ ー ジ で 測 定 し 、 次 式 か ら ひ ず み 量 (ε)を 求 め た 。

Q ‑ Q 

， 

ε 二 ‑・(1 ‑9 ) 

Q 

そ し て 、 次 式 の フ ッ ク の 法 則 か ら 、 乾 燥 応 力 σ を 求 め た 。

σ =  

. ε  

ここで、 Eは 弾 性 係 数 を 示 す 。

2.3 

(  a 

供 試 材 は 、 ハ ル ニ レ ( 北 海 道 産， 全 乾 比 重 : 平 均

o. 

高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 用 と し て 長 さ し200mm材 を 2個 、 輯 射 加 熱 減 圧 乾

燥 用 と し て 長 さ 250mm材 を 4個、 さ ら に 熱 風 乾 燥 材 用 と し て 長 さ し0

OOmm材 を 2個 採 取 し た 。 長 尺 の 木 材 を 想 定 し て 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾

燥 と 熱 風 乾 燥 用 の 供 試 材 の 片 方 の 木 口 面 を 、 輯 射 加 熱 減 圧 乾 燥 用 供

り し た 。 す な わ ち 、 材 の 厚 さ の 変 化 は 、 半 径 方 向 の 寸 法 変 化 と 一致

す る 。 な お 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 で は 、 供 試 材 の 上 下 の 板 目 面 に 各

電 極 板 を 置 い た た め 、 高 周 波 電 界 の 方 向 は 半 径 方 向 で あ っ た 。

3 

3 . 1 加 熱 法 に よ る 温 度 と 含 水 率 分 布

加 熱 方 法 お よ び 外 周 の 気 圧 が 異 な る

3

を 図 1‑6に 示 し た 。 各 乾 燥 法 に よ っ て 乾 燥 経 過 が 大 き く 異 な る こ と が

明 ら か で あ る が 、 こ の こ と に つ い て は i3 . 3加 熱 と 材 の 厚 さ の 関 係 」

の 節 で 論 述 す る 。 こ こ で は 、 減 圧 の も と で の 高 周 波 加 熱 と 幅 射 加 熱

の 両 法 の 乾 燥 挙 動 を 比 較 検 討 す る 。

減 圧 乾 燥 の 時 間 経 過 に と も な っ て 生 じ る 厚 さ 方 向 の 温 度 分 布 と 含

水 率 分 布 の 変 化 を 求 め 、 そ の 結 果 を 図 1一?と図 1‑8に 示 し た 。

ま ず 、 高 周 波 加 熱 の 温 度 分 布 曲 線 図 1‑7に お い て 、 乾 燥 初 期 に は 材

の 内 層 が 表 層 に 比 べ て 幾 分 高 い 値 を 示 し た が 、 温 度 傾 斜 は 小 さ い 。

こ の こ と は 、 水 分 が 厚 さ 方 向 に 均 一 に 分 布 し て い る と き に は 、 高 周

波 電 界 中 で は 、 ほ ぼ 均 一 な 加 熱 が 可 能 で あ る こ と を 示 唆 し て い る 。

材 の 表 層 と 内 層 の 温 度 差 は 、 乾 燥 の 進 行 に と も な っ て 次 第 に 大 き く

な り 、 乾 燥 後 期 に は 約 8⁰Cに な っ た 。 こ の 原 因 に は 、 ① 乾 燥 の 過 程 で

誘 電 率 の 低 下 を さ そ い 、 そ の た め に 高 周 波 加 熱 量 が 減 少 す る こ と 、

③ 材 の 表 面 か ら 外 周 ヘ 自 然 放 熱 を 生 じ る こ と 、 な ど が 考 え ら れ る 。

一方、 輯 射 加 熱 は 乾 燥 初 期 に 表 層 の 温 度 が 内 層 に 比 べ て 高 く 、 し

か も 温 度 傾 斜 は 著 し く 大 き い 。 そ の 後 乾 燥 中 期 か ら 後 期 に か け て 、

熱 が 材 の 内 部 まで 及 び 、 温 度 傾 斜 は 小 さ く な っ た 。 こ の 温 度 挙 動 は 、

熱 風 乾 燥 に お け る 満 久 の 報 告 37 ) に 類 似 す る こ と か ら 、 厚 さ 方 向 の 温

度 分 布 に は 、 外 周 の 気 圧 状 態 よ り も 加 熱 方 法 が 大 き く 影 響 を 及 ぼ す

こ と が わ か る 。

次 に 、 乾 燥 過 程 に お け る 含 水 率 分 布 曲 線 の 推 移 を 見 る 。 図 1‑8に お

い て 、 乾 燥 初 期 か ら 含 水 率 約 60% ま で の 期 間 に 、 高 周 波 加 熱 と 幅 射

加 熱 の い ず れ も 表 層 付 近 で大 き な含 水 率 低 下 が 見 ら れ 、 材 の 表 面 か

ら 活 発 に 水 分 が 蒸 発 し た こ と が わ か る 。 そ し て 、 表 層 と 中 層 (表 面

か ら

15mm

最 も 大 きい。

乾 燥 が 進 行 し 、 乾 燥 中 期 の 含 水 率 約 40% か ら 20% ま で の 期 間 で 、

2つ の 加 熱 方 法 の 間 で 含 水 率 分 布 に 差 が 見 ら れ た 。 す な わ ち 、 高 周

熱 で は 、 乾 燥 の 進 行 に と も な っ て 含 水 率 傾 斜 が 次 第 に 小 さ く な っ た

が 、 乾 燥 初 期 に 形 成 さ れ た 含 水 率 分 布 は 乾 燥 後 期 に 至 る ま で 継 続 し

て 見 ら れ た 。

乾 燥 後 期 の 含 水 率 20% か ら 10%の 期 間 で は 、 高 周 波 加 熱 と 輯 射 加

熱 の い ず れ も 厚 さ 方 向 の 含 水 率 傾 斜 は 小 さ く な り 、 表層、 中 層 お よ

び 内 層 間 の 含 水 率 差 は 小 さ く な る こ と が わ か る 。

3.2

木 材 は 乾 燥 に と も な っ て 収 縮 す る が 、 厚 さ 方 向 に お い て 表 層 、 中

層 お よ び 内 層 間 で 乾 燥 に 差 が 出 る た め 、 収 縮 に 層 閣 の 相 互 拘 束 作 用

が 生 じ 、 木 材 内 に 乾 燥 応 力 が 発 生 す る 。 し た が っ て 加 熱 方 法 の 違 い

は 、 水 分 移 動 に 差 を 生 じ さ せ る こ と を 2. 1節 で 明 ら か に し た が 、 各

間 の 収 縮 の 拘 束 作 用 で 生 じ る 乾 燥 応 力 に も 影 響 を 及 ぼ す と 考 え ら れ

る 。 熱 風 乾 燥 に お け る 乾 燥 応 力 発 現 の メ カ ニ ズ ム な ど は 多 く の 研 究

で 明 ら か に さ れ て い る が ^{4 4 )，6 9 )，7 9 )}、 減 圧 の 雰 囲 気 に お け る 乾 燥 応

力 の 研 究 は 少 な い 。 ま た 加 熱 方 法 の 違 い と 乾 燥 応 力 の 関 係 に つ い て

は、 今 日 に 至 る ま で 、 十 分 な 知 見 は 得 ら れ て い な い 。 そ こ で 本 節 で

は 、 加 熱 と 乾 燥 応 力 の 関 係 を 乾 燥 経 過 と 関 係 づ け て 検 討 す る 。

含 水 率 測 定 用 試 験 片 の 採 取 位 置 に 隣 接 す る 部 分 か ら 乾 燥 応 力 測 定

め た 。 同 法 で は 、 応 力 値 を 応 力 の 解 放 で 見 ら れ る ひ ず み 値 で 表 し て

きたが、 こ こ で は 計 測 し た ひ ず み 値 と そ の と き の ヤ ン グ 率 値 を 式 (1 

‑1 0 ) に 代 入 し て 求 め た 応 力 値 で 表 す こ と に す る 。 乾 燥 経 過 に と も な

う 応 力 の 推 移 を 図 1‑9に 示 し た 。 な お 、 切 断 後 の 寸 法 が 切 断 前 よ り 増

加 し た と き の 解 放 時 の 正 ひ ず み 発 生 が 圧 縮 応 力 の 存 在 し て い た こ と 、

そ の 逆 の 負 ひ ず み 発 生 が 引 張 応 力 の 存 在 し て い た こ と を 示 し て い る 。

供 試 材 の 平 均 含 水 率 が 63'"64%の 乾 燥 初 期 に お い て 、 内 部 加 熱 と

外 部 加 熱 の 乾 燥 応 力 の 分 布 型 は ほ ぼ 等 し い 。 す な わ ち 供 試 材 の 表 層

に 引 張 応 力 、 内 層 に 圧 縮 応 力 が 発 生 し て い る こ と が わ か る 。 こ の こ

とは、 図 1‑8の 含 水 率 分 布 曲 線 で 、 表 層 の 乾 燥 が 先 行 し た こ と か ら 、

表 層 で 引 張 応 力 が 生 じ 、 内 層 で は そ の 反 力 と し て 圧 縮 応 力 が 生 じ た

と 考 え ら れ 、 従 来 の 乾 燥 応 力 の メ カ ニ ズ ム の 解 析 で 説 明 で き る 。

乾 燥 が 進 行 し 平 均 含 水 率 が 約 40% の 乾 燥 中 期 に は 、 2つ の 加 熱 方

法 の 間 で 、 応 力 分 布 に 差 が 見 ら れ た 。 す な わ ち 、 内 部 加 熱 で は 43

% 

の 含 水 率 で す で に 応 力 が 逆 転 し て い る の に 対 し て 、 外 部 加 熱 で は 各

層 の 応 力 値 は 一様 に 減 少 し た も の の 、 乾 燥 初 期 に 形 成 さ れ た 応 力 分

し合い、 内 層 に 引 張 応 力 が 発 生 す る 。 一 方 、 表 層 で は 中 層 と 内 層 か

ら 移 動 し て きた 水 分 で 、 今 ま で 見 ら れ た 大 き な 収 縮 能 は 低 下 さ せ ら

れ、 引 張 応 力 は 緩 和 さ れ た 。 内 層 と 外 層 に お け る こ の 2つ の 作 用 に

よって、 内 部 加 熱 は 外 部 加 熱 よ り も 早 い 時 期 に 応 力 の 逆 転 に つ な が

っ た と 考 え ら れ る 。

乾 燥 後 期 に な る と 、 外 部 加 熱 も 乾 燥 が 内 層 に ま で 及 び 、 応 力 は 逆

転 す る 。 内 部 加 熱 で は 、 乾 燥 中 期 の 応 力 分 布 を 維 持 し て い る が 、 応

力 値 に 幾 分 の 減 少 が 見 ら れ た 。 こ れ は 乾 燥 が 遅 れ て い た 中 層 に も 乾

燥 が 及 び 、 中 層 の 収 縮 が 幾 分 増 大 す る こ と に よ っ て 、 中 層 と 外 層 の

問 、 お よ び 中 層 と 内 層 の 聞 の 拘 束 は 小 さ く な り 、 材 全 体 の 応 力 が 緩

和 さ れ た も の と 推 測 す る 。

次 に 、 木 材 乾 燥 で 生 じ る 損 傷 に 大 き く 影 響 を 及 ぼ す 乾 燥 応 力 を 数

値 で 分 析 す る 。 表 面 割 れ は 、 表 層 の 引 張 応 力 値 が 木 材 の 横 方 向 の 引

張 強 度 値 以 上 に 達 し た と き 生 じ る が 、 乾 燥 初 期 の 表 層 の 引 張 応 力 値

は、 図 1‑9に お い て 内 部 加 熱 で は O.62MPa、 外 部 加 熱 で は 1.02MPaで あ

る 。 供 試 材 の ハ ル ニ レ 材 よ り も 気 乾 比 重 が 幾 分 低 い ア カ マ ツ 材 の 強

度 の 報 告 値 4 8 ) を 、 乾 燥 実 験 時 の 含 水 率 お よ び 温 度 で 修 正 し 5 9 ¥ 求

め た 横 圧 縮 お よ び 引 張 強 度 値 を 表 1‑3に 示 し た 。 こ れ か ら 、 2つ の 加

熱 法 と も 乾 燥 応 力 値 が 引 張 強 度 値 よ り も 低 い た め 、 表 面 割 れ は 生 じ

小 さ か っ た こ と が わ か る 。 落 ち 込 み の 原 因 と な る 内 層 の 圧 縮 応 力 値

は、 内 部 加 熱 で は

O.22MPa

O.51MPa

の 乾 燥 応 力 値 は 圧 縮 強 度 値 よ り も 低 い が 、 外 部 加 熱 で は 幾 分 高 い た

め 、 落 ち 込 み の 危 険 性 が 推 察 で き る 。

内 部 割 れ は 乾 燥 後 期 に 内 層 の 引 張 応 力 が 木 材 の 横 引 張 強 度 値 よ り

も 大 き く な っ た と き 発 生 す る こ と が 知 ら れ て い る 。 実 験 の 結 果 、 内

部 加 熱 の 引 張 応 力 値 は

O.36MPa

1‑3

3.18MPa

よ り も 低 く 、 乾 燥 応 力 に よ る 内 部 割 れ の 危 険 性 は 無 い こ と が わ か る 。

一 方 、 乾 燥 中 期 に 落 ち 込 み の 危 険 性 が 指 摘 さ れ た 外 部 加 熱 で も 引 張

応 力 値 は

O.83MPa

こ の よ う に 、 乾 燥 割 れ の 原 因 と な る 乾 燥 応 力 に つ い て 、 内 部 加 熱

の 乾 燥 応 力 値 は 外 部 加 熱 の そ れ と 比 べ て 全 乾 燥 過 程 を 通 し て

1 / 2

で あ り 、 内 部 加 熱 法 は 乾 燥 割 れ に 対 し て 外 部 加 熱 よ り も 安 全 な 乾 燥

法 で あ る あ る こ と が 認 め ら れ る 。

乾 燥 を 終 了 し た と き 、 も し 材 内 に 大 き な 応 力 が 残 留 す る と 、 加 工

し た が っ て コ ン デ ィ シ ョ ニ ン グ 処 理 の 必 要 が な く 、 こ の こ と は 乾 燥

現 場 で は 大 き な 特 長 で あ る と 言 える。

3 . 3加 熱 と 材 の 厚 さ の 関 係

材 厚 方 向 の 温 度 傾 斜 と 含 水 率 傾 斜 は 、 木 材 内 の 水 分 移 動 に 大 き く

寄 与 し て い る こ と を 3. 1節 で 明 ら か に し た 。 本 節 は 、 材 の 厚 さ と 乾 燥

の 関 係 を 、 加 熱 お よ び 外 周 気 圧 が 異 な る 3つ の 乾 燥 法 、 す な わ ち 同

周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 、 幅 射 加 熱 減 圧 乾 燥 お よ び 熱 風 乾 燥 で 検 討 し た 。

な お 、 水 分 移 動 の 難 易 は 乾 燥 時 間 の 長 短 で 表 さ れ る の で 、 こ こ で は

厚 さ 別 の 乾 燥 結 果 は 乾 燥 時 間 で 検 討 し た 。

図 1‑1 0に 、 材 の 厚 さ と 乾 燥 時 間 に 関 す る 実 験 結 果 の 一例 と し て 、

プ ナ 材 の 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 曲 線 を 示 し た 。 こ れ か ら 、 厚 さ の 増 加

と と も に 乾 燥 時 間 が 長 く な る こ と が わ か る 。 な お 、 他 の 樹 種 に つ い

て も プ ナ 材 の 乾 燥 経 過 曲 線 に ほ ぼ 類 似 の 傾 向 が 見 ら れ た た め 、 こ こ

で は 結 果 の 表 示 は 省 略 す る 。 材 の 厚 さ 別 乾 燥 実 験 か ら 厚 さ と 乾 燥 時

間 の 関 係 を 求 め 、 そ の 結 果 を表 1‑4に 示 し た 。 最 終 含 水 率 は 、 建 築 構

造 用 と し て 主 に 用 い ら れ る 樹 種 で は 15% とし、 ま た 建 築 造 作 用 お よ

び 家 具 用 の 樹 種 で は 10%と し た 。

図

1‑6

5 0mm

3

の 乾 燥 法 で 材 の 厚 さ に 対 す る 乾 燥 時 間 の 変 化 を 見 る た め 、 高 周 波 加

熱 減 圧 乾 燥 の 乾 燥 時 間 を 基 準 に し て 、 幅 射 加 熱 減 圧 乾 燥 と 熱 風 乾 燥

を 乾 燥 時 間 比 で 比 較 す る 。 プナ、 イ タ ヤ カ エ デ 、 ハ ル ニ レ 材 の 乾 燥

時 間 比 の 結 果 を 表 1‑5に 示 し た 。 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 の 乾 燥 時 間 は 、

厚 さ が 30'"'‑'70mm範 囲 に お い て 、 プ ナ 材 で は 輯 射 加 熱 減 圧 乾 燥 の 乾 燥

時 間 の 約 3/5'"'‑'4/5に 、 熱 風 乾 燥 の 約 2/5'"'‑'3/5に 相 当 す る 。 同 様 に 、

イ タ ヤ カ エ デ 材 で は 幅 射 加 熱 減 圧 乾 燥 の 約 2/5'"'‑'3/5、 熱 風 乾 燥 の 2/

5以 下 に 、 ハ ル ニ レ 材 で は 幅 射 加 熱 減 圧 乾 燥 の 約 1/5'"'‑'3/5、 熱 風 乾 燥

の 1/5以 下 に 相 当 す る 。

こ の よ う に 、 外 周 の 減 圧 が 同 じ で 加 熱 方 法 だ け が 異 な る 高 周 波 加

熱 減 圧 乾 燥 と 輯 射 加 熱 減 圧 乾 燥 の 聞 に 乾 燥 時 間 の 明 ら か な 差 が 見 ら

れ た こ と か ら 、 高 周 波 内 部 加 熱 に よ る 温 度 傾 斜 は 輯 射 外 部 加 熱 の 温

度 傾 斜 よ り も 水 分 移 動 に 有 利 に 作 用 す る こ と が わ か る 。 また、 幅 射

加 熱 減 圧 乾 燥 と 熱 風 乾 燥 の 比 較 か ら 、 内 部 加 熱 と 減 圧 の 組 み 合 わ せ

に よ っ て 水 分 移 動 は 促 進 さ れ る こ と が 明 ら か で あ る 。 な お 、 乾 燥 に

及 ぼ す 減 圧 の 効 果 に つ い て は 第 2章 で 論 述 す る 。

に 1 : 1の 関 係 は 見 ら れ ず 、 多 く の 樹 種 で 乾 燥 時 間 の 変 化 割 合 の 方

が厚 さ の 変 化 割 合 よ り も 小 さ い 傾 向 を 示 し た 。 そ し て 、 こ の 傾 向 は

樹 種 に よ っ て 大 き く 異 な っ て い る 。 こ れ は 、 木 材 内 部 ヘ 減 圧 が 及 ぶ

度合、 す な わ ち 空 気 透 過 性 に 大 き く 影 響 さ れ る と 考 え ら れ 、 乾 燥 と

空 気 透 過 性 の 関 係 は 第 5章 で 論 述 す る 。 な お 、 厚 さ と 乾 燥 時 間 の 関

係 は 、 乾 燥 の 実 務 で 乾 燥 時 間 を 推 定 す る と き 重 要 で あ る た め 、 こ の

関 係 も 第

5

建 築 用 材 、 と り わ け 軸 組 工 法 と し て の 構 造 用 柱 材 と 横 架 材 は 、 断

面 積 が 大 き い た め に 、 乾 燥 に 長 時 間 を 要 す る と い う 問 題 を す で に 指

摘 し た 。 こ の 研 究 に お い て 、 断 面 が

100mmx 100mm

て 、 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 は 乾 燥 時 間 の 著 し い 延 長 が 認 め ら れ な か っ

た こ と か ら 、 建 築 用 材 の 工 業 化 を 目 指 す 乾 燥 法 と し て 有 利 な 方 法 の

一 つ で あ る と 結 論 づ け ら れ る 。

4.

高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 法 に お け る 加 熱 方 法 、 い わ ゆ る 内 部 加 熱 が 乾

燥 に 及 ぼ す 影 響 を 調 べ た 。 主 に 、 材 の 厚 さ 方 向 の 木 材 温 度 分 布 、 含

水 率 分 布 、 乾 燥 応 力 分 布 、 お よ び 材 の 厚 さ と 乾 燥 時 間 の 関 係 な ど に

つ い て 、 他 の 加 熱 法 と 比 較 し て 内 部 加 熱 に よ る 乾 燥 特 性 を 明 ら か に

( 1 ) 高 周 波 加 熱 と 輯 射 加 熱 と の 闘 で 、 乾 燥 経 過 中 に 材 の 厚 さ 方 向 の

温 度 分 布 と 含 水 率 分 布 に 大 き な 差 異 が 見 ら れ る 。 す な わ ち 、 高 周 波

に よ る 内 部 加 熱 で は 、 材 の 表 層 で 温 度 が 低 く 、 内 層 で 高 い 分 布 を 示

し、 こ の 温 度 傾 斜 は 中 層 と 内 層 の 水 分 を 表 層 方 向 ヘ 活 発 に 移 動 す る

よ う 作 用 し た 。 し た が っ て 、 小 さ な 含 水 率 傾 斜 の ま ま 乾 燥 を 進 行 さ

せ る こ と が で き た 。 一 方、 輯 射 に よ る 外 部 加 熱 で は 、 表 層 の 乾 燥 が

中 層 や 内 層 よ り 先 行 す る た め 、 材 の 厚 さ 方 向 に 大 き な 含 水 率 傾 斜 を

生 じ た 。 外 部 加 熱 は 内 部 加 熱 に 比 べ て 多 く の 乾 燥 時 間 を 要 し た こ と

か ら 外 部 加 熱 に よ る 温 度 傾 斜 は 水 分 移 動 を 促 進 す る 効 果 は 無 い と ー

える。

( 2 ) 内 部 加 熱 に お け る 乾 燥 応 力 の 逆 転 は 外 部 加 熱 に 比 べ て 明 ら か に

い 時 期 に 生 じ た 。 ま た 乾 燥 の 全 過 程 で 発 現 し た 乾 燥 応 力 は 小 さ く 、

ま た 残 留 す る 乾 燥 応 力 も 小 さ い こ と が 認 め ら れ る 。 し た が っ て 、 内

部 加 熱 は 、 乾 燥 応 力 に よ っ て 生 じ る 割 れ な ど の 損 傷 の 防 止 、 ま た は

軽 減 に 有 効 な 加 熱 方 法 で あ る こ と が 明 ら で あ る 。

( 3 ) 高 周 波 加 熱 減 圧 乾 燥 で は 、 幅 射 加 熱 減 圧 乾 燥 や 熱 風 乾 燥 に 比 べ

表1‑1 木 材 の 誘 電 的 性 質

含水率(児) 誘 電 率

ε

Q

10  2.2  0.06  1.066  20  3.6  0.09  0.833  60  11.0  0.36  0.477  100  20.0  0.50  0.353  難)

T r a p p  

東灘)周波数が13.6MHzの高周波発振機を用いたとき。

表

1 ‑ 2

樹種名(学名) 全乾比重 寸法(幅

X 長さ X 厚さ，

7

( F a g u sc r e n a t a )   0 . 7 1   2 0 0 X 1 ， 0 0 0 X 3 0 ， 5 0 ， 7 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0  

イタヤカエテ守

( A c e r  m o n o )   0 . 7 2   1 2 0 X 1 ， 0 0 0 X 2 0 ， 4 0 ， 7 0 ， 1 0 0  

ア

r

( D i p t e r o c a r p u s  g r a n d i f l o r u s )   0 . 8 2   2 0 0 X 1 ， 2 0 0 X 3 0 ， 5 0 ， 7 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0  

( A e s c u l u s  t u r b i n a t a )   0

6  3 0 0 X 1 ， 2 0 0 X 4 0 ， 5 0 ， 7 0 ， 1 0 0  

)\)~二 v

( U l m u s  d a v i d i a n a )   0 . 5 9   2 0 0 X 1 ， 2 0 0 X 3 0 ， 5 0 ， 7 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0   ス 7

s i t c h

' n s i s )   0 . 3 9   2 0 0 X 2 ， 0 0 0 X 3 0 ， 5 0 ， 7 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0  

ぐれザ

( P s e u d o t s u g a m e n z i e s i i )   0 . 4 7   2 0 0 X 2 ， 0 0 0 X 3 0 ， 5 0 ， 7 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0  

表

1 ‑ 3

含水率 10% 

横引張強度 (MPa)

3 . 1 8  

横圧縮強度 (MPa)

2 . 3 5  

30% 

2 . 2 6   0 . 3 5  

1)アカ

W

: 0 . 5 5 )

2 )

5 . 5 %

5 %

3 )

1

C

0 %

0 %

表1‑4 材の厚さと乾燥時間

乾 燥 法 樹種名 材の厚さ

( m m )

20  30  40  50  70  100  150  200  (見) 高周 波 加 熱 ア ナ 96  153  284  324  421  481  60~10

減圧乾 燥 イタヤカ工デ 29  54  103  147  60~10

ア

t

トノチキ 58  72  84  97  50~10

ハ}vニレ 41  54  68  76  89  103  60~10

ス r } ト ス

へやイ?ツ 43  54  57  79  86  112  40~15

輯射加熱 7令ナ 131  247  365  60~10

減圧乾燥 イタヤカエテや 43  96  201  436  60~10

ハルニレ 85  162  253  60~10

熱風乾燥 7守 f 172  364  683  60~10

イタヤカ工テ。 98  214  408  871  60~10

ハ}vニレ 106  247  469  60~10

表1‑5 乾燥法別乾燥時間比

乾 燥 法 樹種名 材 の 厚 さ (mm)  20  30  40  50  70  高周波加熱 プ ナ 1.0  1.0  1.0  減圧乾燥 イタヤカエデ 1.0  1.0  1.0  ハルニレ 1.0  1.0  1.0  幅射加熱 プ ナ 1.4  1.6  1.3  減圧乾燥 イタヤカエデ 1.5  1.8  2.9 

ハルニレ 2.1  3.0  3.7  熱風乾燥 プ ナ 1.8  2.4  2.4  イタヤカエデ 3.4  4.0  5.9  ハルニレ 2.6  4.6  6.9 

表1‑6 高周波加熱減圧乾燥における材の厚さ別乾燥時間比

樹種名 材の厚さ

( m m )

20  30  40  50  70  100  150  200 

r

ア

t

ハ

v J

r J v ‑

電気双極子

:訂ゆ

(  0)直流電場 (b)高周波電場

I c w i ス I r

E A   d

^F ム ^{l N W F 了} _{C w}  

ι  _E 

(  c) 木材誘電体 (d)等価電気回路 (  e) 電流成分

図 1‑ 1  誘電体の分極および等価電気回路

国 側

( 0 )

G 

電極

反の長ぎ方向 電極板の長さ方向

(c) 

2

¥ノ/ヘ¥ノ

電樹反の長ぎ方向

図 )‑2 給電位置と電圧分布の関係

矢印は給電する位置を示す。

図 1‑3 高周波加熱減圧~l}暴装置

① j 威圧缶(本 ②電極板〈中央:起電極，上下:ア ース電極〉

③供試木材 ④加熱補助木材 ⑤プレス機⑤高周波発振機

⑦温度・気庄市

1 J I P 盤 @ 電 極 間 電 圧 測 定 器 @ 油 圧 ユ ニット

⑪コンデンサ ⑪?~発水タンク ⑫真空ポンプ

⑬温度センサ ⑪気圧センサ

φ 

(α)  鱈射加熱型 j刷I~lJ:長機

︑ ノ

¥ η

︐ / ん 〆

ア︑

/J F¥

1凶

F' '

フ

戸︑

︑け

滋λ

べ ︑

‑ 〆

〆 /

︐

︑ 〆

〆'

dF FE Et t︑

︐

︐

(b) 内部副現霊祭1風~l*是非幾

縦~t方向

図 1‑5 スライス法による~lJお5力の泊11ÄE L  :切断前の長主

じ:切断後の長さ

100 

/ー、、

~ 80 

持 60 

ν(h 

4

40 

20 

。 _。

100  乾 燥

200  時 間

300  (  h r  ) 

図 1‑6 3 つの ~l燥法による箆燥経過曲線

4 0  

(ハ ド﹀

同電

干て・

30 

20 

0 

1 0   20  。 1 0   2 0   。 1 0  

表 面 か ら の 距 磁 (mm) 

図 1‑7  ~lJ験室過にともなう温度分布の変化

20 

100 

ミ 80

、ーノ

縦 十 60

ム4

『 ¥

イ 旧

20 

。

高 周 波 加 熱

手均Z含ポ3E

υ=78% 

〆~

5  1 5   25  表面からの距離

砲 射 加 熱 平均含水宰

5  1 5   25  表面からの距離

図 1‑8 高周波加熱と娼射加熱による含水率

分布の変化

2 . 0  

1 . 0  

↑  民持 ( 0止 乞 )

l1.fl 

4 ミ

。

山同

回目綬

・会4

』、吋 艇0+

~l燥後期

~l*安中期

~l燥初期

但時

↓‑1. 0 

l当

4 5   3 5   1 5   25 

5  4 5   3 5   1 5   25 

45  5  3 5   1 5   25 

‑ 2 . 0   5 

︑

︐

︐

r m  m  ︐

離 目 ︑ の ~~

︑ hJ

力、 表 面

~ljお5力分布曲線

ひ‑‑0高周湖日熱 j 威圧切長

。-・娼射加熱溺王~l*長

図 1‑9 

1 0 0  

80 

︿次 )

H

60

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。