JP2008106959A

JP2008106959A - 木材乾燥装置及び木材乾燥方法

Info

Publication number: JP2008106959A
Application number: JP2006288131A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yasujima; 稔安島; Mitsusachi Myojin; 光幸明神
Original assignee: YASUJIMA KK
Current assignee: YASUJIMA KK
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】木材乾燥時の表面割れ、内部割れの抑制を行うことで歩留り向上を実現し、乾燥期間短縮によって生産量の向上につながり、イニシャルコスト、ランニングコストも廉価になる新たな技術手段を得ることである。
【解決手段】木材を収容する乾燥機２と、該乾燥機内を減圧する減圧手段３と、前記乾燥機と減圧手段との間に介装し、乾燥機内の水蒸気を結露させる熱交換器５と、該熱交換器で結露した水分を排出するドレンタンク１１と、乾燥機内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段２５と、熱風を発生させる熱風発生手段である加熱管７及びファン８と、木材を高周波加熱する高周波加熱装置９と、これらの動作を制御する制御手段４と、を具備した木材乾燥装置であって、前記制御手段は、乾燥機内の湿度制御を行うことなく、乾球温度のみ制御を行うとともに、所定の乾湿球差を保持し、いずれの処理時も減圧状態で乾球温度１００℃以下に乾燥機内雰囲気を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築用材として、柱材、梁桁材、ログハウス材等の用途をもつ木材に対して表面割れ、内部割れを抑制し、材の変色を防ぎ、乾燥時間の短縮を計りつつ、歩留りよく高品質な仕上がりを得ることの出来る木材乾燥装置及び木材乾燥方法に関する。

従来、木材を乾燥する場合に表面割れを起こしやすい樹木種に対しては、１）乾燥時間を長くして乾燥を行う方法、２）前処理として局所的水蒸気処理を使用して材の水分透過性を改善してから乾燥を行う方法、３）大気中で１００℃以上の乾球温度と乾湿球差を２０℃以上付け、メカノソープティブ現象を利用して表面割れを抑制して乾燥を行う方法等が挙げられる（例えば、特許文献１）。１）の問題点としては乾燥時間が長くなる。また、オウシュウアカマツやシベリアカラマツといった樹種の場合は乾燥条件を緩やかにし、乾燥時間を長くするだけでは表面割れ抑制にはつながらない。２）の問題点は前処理としての爆砕処理は割れ抑制には有効であるが、乾燥機内を１００℃以上の飽和蒸気で満たすために乾燥機が第１種圧力容器に属することとなり、定期検査等が必要になる。３）の問題点は、大気中でも表面割れを抑制する方法であり、その効果は認められるが、乾球温度が１００℃以上の熱処理をするために木材の内部割れや変色が生じる問題点がある。
特開平６−２５７９４６号公報

本発明は、上記のような従来手段の様々な問題点を無くそうとするものであって、その目的とするところは木材の表面割れ、及び内部割れを抑制し、材の変色を抑え短期間で歩留り良く高品質な材料とするべく乾燥を行うことである。特に減圧下の性質を利用し、湿球温度制御をすることなく表面割れ防止処理が行える。加えて、空気の少なさから空気酸化を防ぐと同時に乾球温度１００℃以下で乾燥することで変色を抑える効果がある。表面割れ抑制処理後は表面割れを起こす心配がないために高周波スケジュールが簡単に組め、装置の操作性が簡易になる。また、高周波による内部加熱方法により乾燥期間短縮という利点が得られる事に加えて材中心部まで均一な乾燥が行え、高品質な材料が得られる。すなわち、本発明の目的とするところは、従来方法の問題点を無くし、表面割れ、内部割れの抑制を行うことで歩留り向上を実現し、乾燥期間短縮によって生産量の向上につながり、イニシャルコスト、ランニングコストも廉価になる新たな技術手段を得ることである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、木材を収容する乾燥機と、該乾燥機内を減圧する減圧手段と、前記乾燥機と減圧手段との間に介装し、乾燥機内の水蒸気を結露させる熱交換器と、該熱交換器で結露した水分を排出するドレンタンクと、乾燥機内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、乾燥機内に熱風を発生させる熱風発生手段と、乾燥機内の木材を高周波加熱する高周波加熱装置と、これらの動作を制御する制御手段と、を具備した木材乾燥装置であって、
前記制御手段が、乾燥機内の湿度制御を行うことなく、乾球温度のみ制御を行うとともに、所定の乾湿球差を保持し、いずれの処理時も減圧状態で乾球温度１００℃以下に乾燥機内雰囲気を制御するものである。

請求項２においては、木材を乾燥機内に収容し、減圧手段により前記乾燥機内の減圧を行う減圧工程と、水蒸気供給手段により乾燥機内に水蒸気を供給して木材の蒸煮を行う蒸煮工程と、乾燥機内を所定圧力へ減圧後、熱風発生手段により熱風を発生させて木材を乾燥させる減圧熱風乾燥工程と、乾燥機内の木材を高周波加熱する高周波加熱工程と、を備えるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、オウショウアカマツ、スギ、ヒノキ、他大断面材等を乾燥する際に表面割れを起こしやすい樹種などに対して、減圧下の性質を利用し、湿球温度制御をすることなく表面割れ防止処理が行える。加えて、空気の少なさから空気酸化を防ぐと同時に乾球温度１００℃以下で乾燥することで変色を抑える効果がある。表面割れ抑制処理後は表面割れを起こす心配がないために高周波スケジュールが簡単に組め、装置の操作性が簡易になる。また、高周波による内部加熱方法により乾燥期間短縮という利点が得られる事に加えて材中心部まで均一な乾燥が行え、高品質な木材が得られる木材乾燥装置を提供することができる。

請求項２においては、オウショウアカマツ、スギ、ヒノキ、他大断面材等を乾燥する際に表面割れを起こしやすい樹種などに対して、減圧下の性質を利用し、湿球温度制御をすることなく表面割れ防止処理が行える。加えて、空気の少なさから空気酸化を防ぐと同時に乾球温度１００℃以下で乾燥することで変色を抑える効果がある。表面割れ抑制処理後は表面割れを起こす心配がないために高周波スケジュールが簡単に組め、装置の操作性が簡易になる。また、高周波による内部加熱方法により乾燥期間短縮という利点が得られる事に加えて材中心部まで均一な乾燥が行え、高品質な木材が得られる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施形態に係る木材乾燥装置の全体の構成を示す模式図、図２は本発明の実施形態に係る木材乾燥装置の制御装置に関するブロック図、図３は本発明の実施形態に係る木材乾燥方法を示す工程図である。

まず、木材乾燥装置の全体の構成について図１を用いて説明する。
木材１０を収容する乾燥機２は、断面略正方形の横置きの容器であり、木材１０を出し入れするための扉１２を備えている。木材１０は缶内台車１３上に桟積みされて、その両側面に高周波加熱用の波型アルミ極板１を取付けて、乾燥機２内に収納される。また、前記波型アルミ極板１は木材１０の長さ方向と垂直に凹凸があり、熱風が循環でき、かつ高周波が印加できる構造になっている。

また、乾燥機２内に熱風を発生させる熱風発生手段は、加熱管７とファン８（本実施例では５個）により構成されており、乾燥機２内の上部に配置されている。そして乾燥機２内の下部には周面何箇所かに噴出孔６ａを備えた缶内蒸煮管６が配置されている。加熱管７は、乾燥機２内の空気ないし水蒸気を加熱するために設けられているものであり、加熱管７内に蒸気を導入して加熱管７周辺部の空気ないし水蒸気を加熱するものである。ファン８は、加熱された空気ないし水蒸気を乾燥機２内で均一に循環させるために設けられているものである。また缶内蒸煮管６は、噴出孔６ａから適時乾燥機２内に水蒸気を噴出して、乾燥機２内の空気を加湿するために設けられているものである。また、熱風発生手段（加熱管７、ファン８）の近傍である、乾燥機２の上部には、熱風温度を検知する温度センサ２６と乾燥機２内の圧力を検知する圧力センサ２７が配置され、乾燥機２下部の扉１２近傍には、木材１０の材料温度を検知する木材温度センサ２８が設けられている。
なお、本実施例では乾燥機２内部に熱風発生手段を設けたが、熱風送風用配管を介して乾燥機２の外部に熱風発生手段を配置する構成としてもかまわない。
また、本実施例ではファン８の配置数を５個としているが、特に限定するものでなく乾燥機の容積や熱風の循環効率を考慮して適宜配置数を変更してもかまわない。

前述した高周波加熱用の波型アルミ極板１は、多数の透孔（図示せず）を備えており、乾燥機２内の水蒸気や空気の循環を妨げないようになっている。前記波型アルミ極板１は、整合装置９ａを介して木材１０を高周波加熱する高周波加熱装置である高周波発振器９に接続されている。

また、乾燥機２には、配管１４を介して熱交換器５が接続されており、該熱交換器５には、バルブ１５を介して減圧手段となる真空ポンプ３が接続されており、前記熱交換器５を乾燥機２と真空ポンプ３との間に介装している。前記熱交換器５内には冷却水配管（図示せず）が設けられており、該冷却水配管は配管１６を介して冷却水タンク１７に連通され、該冷却水タンク１７から配管１９に介装している冷却水ポンプ１８によって冷却水が冷却水タンク１７から配管１９、配管１９ａを介して熱交換器５へと戻るように構成されており、熱交換器５内を常に冷却水が循環するようになっている。また、前記冷却水タンク１７近傍には、クーリングタワー１７ａが付設されており、該クーリングタワー１７ａで冷却水を冷やすようになっている。また、熱交換器５のドレン配管２０は、バルブ２１を介してドレンタンク（自動排水タンク）１１に連通されている。
上記の構成において、乾燥機２内の空気ないし水蒸気は、真空ポンプ３に吸引されて熱交換器５に導かれる。吸引された水蒸気の大部分は、熱交換器５内で冷却水によって冷却凝縮、つまり水蒸気が結露し、ドレン配管２０を通ってドレンタンク１１に流入する。また熱交換器５内の空気及び凝縮しなかった水蒸気は、真空ポンプ３によって吸引されて大気放出される。前記ドレンタンク１１は、制御装置４と接続されておりドレンタンク１１内の水位が設定値に達したときに、タンク内の水を強制的に装置外へ排出するように制御されている。

前記ドレンタンク１１には、バルブ２２を介して乾燥機２のドレンポート２４と接続されており、乾燥機２内で凝縮した水も、ドレンタンク１１を通って装置外へと排出される。

乾燥機２底部の缶内蒸煮管６にはスチームバルブ２３を介して水蒸気供給手段であるボイラ２５が接続されている。また、図２に示すように加熱管（電磁バルブ）７、ファン８、高周波発振器９、真空ポンプ３、温度センサ２６、圧力センサ２７、木材温度センサ２８、スチームバルブ２３、バルブ１５、２１、２２及びドレンタンク１１などを制御装置４と接続し、各々を定められた周期(プログラム)で運転停止し、かつ必要なタイミングでスチームバルブ２３や各配管に配設したバルブ等を開閉し、かつ設定値に達したら、ドレンタンク１１内の水を外部に排出するように制御されている。また、乾燥機２には、乾燥機２内に空気を導入するための大気開放弁（図示せず）が設けられている。

次に、本発明に係る木材乾燥方法について図３を用いて説明する。

まず減圧工程として真空ポンプ３を作動させ、制御装置４で設定した所定の圧力まで乾燥機２内を減圧する。乾燥機２内を減圧する目的は、減圧することで木材の周りの空気を少なくし、次の工程の蒸煮の蒸気が木材に接しやすくなり昇温時間を早くするためである。
乾燥機２と真空ポンプ３を結ぶ配管上にはサーフェスコンデンサーと呼ばれる熱交換器５があり、前述したように乾燥機２内で蒸発した水分を結露させる役割を持つ。この熱交換器５で結露した水分は配管２０を介してドレンタンク１１へ流れ、該ドレンタンク１１においては乾燥中に蒸発した水分が測定できる構造となっている。

減圧終了後、蒸煮工程として乾燥機２内底部の缶内蒸煮管６の噴出孔６ａから制御装置４で設定した設定温度（乾球温度）まで達するように蒸気が噴出する。本実施例では設定温度は９０〜９７℃の間であり、材料の大きさにもよるが４〜８時間程度の間、前記設定温度を保つように制御装置４で自動制御を行う。
なお、本工程においては、水蒸気を乾燥機２内に供給することで、乾燥機２内の圧力が温度上昇とともに自然に常圧に近づく。

蒸煮終了後、次に減圧熱風乾燥工程として、再度真空ポンプ３が作動し、制御装置４で設定した所定の圧力まで減圧を行う。この設定圧力としては沸点７０〜８６℃に対応する２３３．８Ｔｏｒｒ〜４５０．９Ｔｏｒｒの間で行われる。
設定した圧力到達と同時に乾燥機２内上部の加熱管７の中に蒸気が入り、ファン８が回ることで熱風を乾燥機２内に発生させる。熱風温度は前述したように温度センサ２６により検出されるようになっており制御装置４により乾球温度８５〜９９℃の間で自動制御される。
また、ファン８は風上、風下で乾燥むらが出ないように正転、逆転可能式となっている。この時、乾燥機２内の温度センサ２６で検知される湿球温度及び木材温度センサ２８で検知される木材温度は必然的に沸点とほぼ同じ温度になる。熱風温度（乾球温度）９９℃の時は缶内圧力３００ｔｏｒｒ前後で制御を行い、湿球温度、木材温度は７６℃、乾湿球差２３℃となり、木材表面は蒸発が盛んになり、メカノソープティブ現象が発生する。これらは材料寸法、初期含水率に依存するが、この状態を６〜２４時間程度維持する。維持時間及び維持時間中の熱風温度と乾燥機内圧力は温度センサ２６と圧力センサ２７によりモニタされており、設定条件を維持するように制御装置４により自動制御を行う。このように、減圧状態にすることにより沸点が低下し、その沸点が湿球温度となるため湿度制御が不要となり、乾球温度のみを制御し、所定の乾湿球差を保持することで木材表面部の蒸発を急激に行い、表面割れ抑制処理である引張セット（ドライングセット）を形成するのである。
そうして、所定の設定時間が経過するとファン８が停止し、加熱管７を流れる蒸気が止まり、熱風が発生しなくなる。

次に、高周波加熱工程として、高周波発振機９が作動し、木材１０に高周波が印加される。高周波印加条件は制御装置４で設定を行い、乾燥機２内が乾球温度１００℃以下に保持されるように自動制御される。
木材１０の乾燥が進み、木材中の水分が少なくなると、波型アルミ極板１の電極間電圧の値が上昇する。この値を固定すれば、木材に流れる電流値は乾燥が進むにつれ、低下する。
低下した電流値を制御装置４が読み取り、該電流値により設定された含水率に達したと判断されたときに乾燥は自動終了される。
なお、本工程においても、乾燥機２内は減圧状態に維持され、常圧に戻ることがない。
以上が本発明の木材乾燥装置の構造及び木材乾燥方法である。

このように、木材１０を収容する乾燥機２と、該乾燥機２内を減圧する減圧手段である真空ポンプ３と、前記乾燥機２と真空ポンプ３との間に介装し、乾燥機２内の水蒸気を結露させる熱交換器５と、該熱交換器５で結露した水分を排出するドレンタンク１１と、乾燥機２内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段であるボイラ２５と、乾燥機２内に熱風を発生させる熱風発生手段となる加熱管７及びファン８と、乾燥機２内の木材１０を高周波加熱する高周波発振機９と、これらの動作を制御する制御手段となる制御盤４と、を具備した木材乾燥装置であって、
前記制御手段となる制御盤４が、乾燥機２内の湿度制御を行うことなく、乾球温度のみ制御を行うとともに、所定の乾湿球差を保持し、いずれの処理時も減圧状態で乾球温度１００℃以下に乾燥機２内雰囲気を制御するので、
オウショウアカマツ、スギ、ヒノキ、他大断面材等を乾燥する際に表面割れを起こしやすい樹種などに対して、減圧下の性質を利用し、湿球温度制御をすることなく表面割れ防止処理が行える。加えて、空気の少なさから空気酸化を防ぐと同時に乾球温度１００℃以下で乾燥することで変色を抑える効果がある。表面割れ抑制処理後は表面割れを起こす心配がないために高周波スケジュールが簡単に組め、装置の操作性が簡易になる。また、高周波による内部加熱方法により乾燥期間短縮という利点が得られる事に加えて材中心部まで均一な乾燥が行え、高品質な木材１０が得られる木材乾燥装置を提供することができる。

また、木材乾燥方法として木材１０を乾燥機２内に収容し、減圧手段である真空ポンプ３により前記乾燥機２内の減圧を行う減圧工程と、水蒸気供給手段であるボイラ２５により乾燥機２内に水蒸気を供給して木材１０の蒸煮を行う蒸煮工程と、乾燥機２内を所定圧力へ減圧後、熱風発生手段となる加熱管７及びファン８により熱風を発生させて木材１０を乾燥させる減圧熱風乾燥工程と、乾燥機２内の木材１０を高周波加熱する高周波発振機９による高周波加熱工程と、を備えるので、
オウショウアカマツ、スギ、ヒノキ、他大断面材等を乾燥する際に表面割れを起こしやすい樹種などに対して、減圧下の性質を利用し、湿球温度制御をすることなく表面割れ防止処理が行える。加えて、空気の少なさから空気酸化を防ぐと同時に乾球温度１００℃以下で乾燥することで変色を抑える効果がある。表面割れ抑制処理後は表面割れを起こす心配がないために高周波スケジュールが簡単に組め、装置の操作性が簡易になる。また、高周波による内部加熱方法により乾燥期間短縮という利点が得られる事に加えて材中心部まで均一な乾燥が行え、高品質な木材が得られる。

本発明の木材乾燥方法のさらに具体的な特徴として、木材表面を急速に含水率３０％以下に乾燥することである。この時の処理温度は温度が高いほど効果があり、表面割れ抑制処理を効果的にするには木材温度が６０℃以上、乾湿球温度差２０℃以上の条件であることが好ましい。
また、本発明の木材乾燥装置及び木材乾燥方法は所定の缶内圧力に設定することで沸点が決まり、材表層は沸点で蒸発する為に、材表層の蒸発温度＝水の沸点＝湿球温度という関係が成り立つ。従って従来の蒸気式乾燥機に必要な湿球温度の制御が不要となる。すなわち、乾燥機２内に１００℃以下の沸点以上の熱風が循環しているために、繊維飽和点（結合水が飽和状態で、自由水が存在しない状態）以上となる木材１０の蒸発面付近は絶えず沸点でしか蒸発は行われない。加えて、蒸煮後、減圧熱風乾燥工程において再度、設定圧力まで減圧を行うために、木材表面は急激に蒸発が行われ、メカノソープティブ現象を促進させ、表面割れが抑制される。表面割れ抑制処理時の乾燥機２内乾球温度は１００℃以下で、６〜２４時間以内で乾燥を行う為に材表層は当然のこと材内部の変色も抑制されるのである。

その後、高周波加熱工程において高周波減圧乾燥に移行し、前述の乾燥機内雰囲気の条件に加えて本工程において木材温度を８０℃以下で乾燥することで、さらに変色と内部割れを防ぐ効果が得られるため、本工程においては乾燥機２内温度を１００℃以下にするのに加えて、本工程においては木材温度を８０℃以下にすることがより好ましい。高周波は木材１０の水分に直接作用する為、材中心部から蒸発が行われ、乾燥後の含水率は材表層と材中心部で均一化される。前述したように引張セット（ドライングセット）の形成により表面割れが抑制されているので、木材に投入する高周波パワーが強くても良く乾燥時間の短縮が得られることに加えて、高周波減圧乾燥スケジュールの組立が簡易となる。

また、減圧熱風乾燥工程と高周波加熱工程を継続して行うために、波型アルミ極板１が使用される。この波型アルミ極板１は２５〜３０ｍｍの凹凸を持っており、熱風が循環でき、かつ高周波が印加できる構造になっている。

以上の特徴に加えて、表面割れ抑制時（減圧熱風乾燥工程）、高周波乾燥時（高周波加熱工程）共に減圧状態のために、空気の量が少なく、木材は空気酸化が抑制され変色が抑えられる。通常の高周波減圧乾燥では乾燥日数１５日程度の期間において弱い高周波パワーで乾燥しても表面割れが発生するが、本発明の木材乾燥方法を用いて木材乾燥を実施すると、乾燥時間６９時間程度で表面割れ、内部割れ、変色を防いで乾燥できたことが本発明の発明者らの実験により認められた。
上述した本発明の木材乾燥装置、木材乾燥方法は、従来の問題をなくしたことに加えて、作業者の操作も簡単であり、乾燥期間の短縮、高品質な材料仕上がりが得られるために、歩留り向上、生産性の増加が得られイニシャルコスト、ランニングコストを減らすことが可能になる。

本発明の木材乾燥装置及び木材乾燥方法を適用した木材乾燥の実施例を以下に示す。
実施例として、試験材寸法が幅１３５ｍｍ、厚み２０５ｍｍ、長さ４０００ｍｍ、試験材本数１２本、平均初期含水率５０％のオウシュウアカマツを表１で示した実験条件により乾燥を行った結果、乾燥時間６９．３時間（表１中の経過時間）で表面割れ、内部割れ、変色を抑制して乾燥出来たことが確認された。色差計により測定される変色の数値を示すΔＥは本発明の木材乾燥方法（減圧表面割れ抑制法）では８．４、従来の高温乾燥では２０．０であり、変色は１／２．４に抑制された。

[表１]
[実験１] 乾燥スケジュール
蒸煮時間：６時間
表面セット処理：２０時間
ＤＢＴ：１００℃以下
高周波減圧乾燥

本発明の実施形態に係る木材乾燥装置の全体構成を示す模式図。本発明の実施形態に係る木材乾燥装置の制御装置に関するブロック図。本発明の実施形態に係る木材乾燥方法を示す工程図。

符号の説明

２乾燥機
３真空ポンプ
４制御装置
５熱交換器
７加熱管
８ファン
９高周波発振器
１０木材
１１ドレンタンク
２５ボイラ

Claims

木材を収容する乾燥機と、該乾燥機内を減圧する減圧手段と、前記乾燥機と減圧手段との間に介装し、乾燥機内の水蒸気を結露させる熱交換器と、該熱交換器で結露した水分を排出するドレンタンクと、乾燥機内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、乾燥機内に熱風を発生させる熱風発生手段と、乾燥機内の木材を高周波加熱する高周波加熱装置と、これらの動作を制御する制御手段と、を具備した木材乾燥装置であって、
前記制御手段が、乾燥機内の湿度制御を行うことなく、乾球温度のみ制御を行うとともに、所定の乾湿球差を保持し、いずれの処理時も減圧状態で乾球温度１００℃以下に乾燥機内雰囲気を制御することを特徴とする木材乾燥装置。
木材を乾燥機内に収容し、減圧手段により前記乾燥機内の減圧を行う減圧工程と、水蒸気供給手段により乾燥機内に水蒸気を供給して木材の蒸煮を行う蒸煮工程と、乾燥機内を所定圧力へ減圧後、熱風発生手段により熱風を発生させて木材を乾燥させる減圧熱風乾燥工程と、乾燥機内の木材を高周波加熱する高周波加熱工程と、を備えることを特徴とする木材乾燥方法。