JP2009085542A - 木材乾燥方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部割れの発生の少ない木材乾燥方法を提供すること。
【解決手段】処理すべき木材を、乾燥室内に収容し、室内空気を蒸気により置換しするエアパージ工程と、室内蒸気の一部を室外に排出しつつ、室内蒸気を加熱し、木材をそのリグニン軟化温度以上に加熱する昇温工程と、室内温度を保ち過熱蒸気中で木材を処理する熱処理工程と、室内温度を高め、木材中の水分を蒸発させる乾燥工程と、冷却工程とから成る木材乾燥方法において、 乾燥工程の末期において、乾燥室内温度の制御目標値を１００℃以下、８０℃以上の範囲内に定められる温度Ｔ℃に変更し、少なくとも０．１時間保持する緩衝工程を設けることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、木材乾燥方法、特に特許第３１６５８１７号発明の改良に関する。

この特許発明は 処理すべき木材を、乾燥室内に収容し、室内空気を蒸気により置換した後、室内蒸気の一部を室外に排出しつつ、室内蒸気を抽出・再加熱し、乾燥室内に還流させ、木材をそのリグニン軟化温度以上に加熱し一定時間保持した後、室内蒸気温度を更に上昇させ、過熱蒸気中において木材を乾燥させることを特徴とするものである。
この方法は、変形や割れを生じることなく、各種の角材、厚板材を内部まで完全に乾燥させ得るものであり、広く普及しつつある。
特許第３１６５８１７号

この特許発明によれば、伐採直後の木材を製材して得た太い角材を中心部まで均一に乾燥し得るものであり、外面的には割れのない木材が得られるものであったが、尚、乾燥に伴う内部割れの発生を防止することができないと言う問題があった。
内部割れとは、木材の側面には現れない、内部のみに生じる裂け目である。
この内部割れは、軽度なものであれば問題ないが、大きな内部割れは木材の強度を損なうものである。
又この内部割れは、需要の大きなスギ材に多発し、木材の商品価値を損なうので製材業にとって大きな問題となっている。

本発明は、上記特許第３１６５８１７号発明を改良し、内部割れの発生の少ない木材乾燥方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明は、
処理すべき木材を、乾燥室内に収容し、室内空気を蒸気により置換するエアパージ工程と、室内蒸気の一部を室外に排出しつつ、室内蒸気を加熱、乾燥室内に還流させ、木材をそのリグニン軟化温度以上に加熱する昇温工程と、乾燥室内温度を一定時間上記温度に保持する熱処理工程と、乾燥室内温度を更に高め木材中の水分を蒸発させる乾燥工程と、乾燥室内の温度を低下させる冷却工程と、から成る木材の乾燥方法において、
乾燥工程の終期に、乾燥室内温度の制御目標値を１００℃以下、８０℃以上の範囲内に定められる温度Ｔ℃に変更し、乾燥室内温度がＴ℃に達した後０．１時間以上、１８時間以下の時間、室内温度をＴ℃に保持する緩衝工程を設け、これにより内部割れのない良質な乾燥材を得るものである。

望ましい実施例においては、緩衝工程における乾燥室内温度の制御目標値Ｔ℃が、９５℃以下、８５℃以上の範囲内に定められ、室内温度をＴ℃に保持する時間は、３時間以上１０時間以下とされるものである。
緩衝工程において、乾燥室内温度の制御目標値の切り下げは、一時に行ってもよいが、Ｔ℃に達するまで、２段階又は３段階と段階的に引き下げることも推奨される。

この場合、乾燥室内の温度の制御目標値を変更する以外の運転条件は変更されない。
温度制御装置のヒーターは一時停止するが、温度制御装置そのものは運転を継続しており、乾燥室内蒸気の循環及び排気も引き続き行なわれる。
本発明においては、このような運転条件の下で、乾燥室内の温度の制御目標値を引き下げることが極めて重要である。

又、この緩衝工程中も、木材からの蒸気の発散、乾燥が引き続き進行する。
緩衝工程において、保持すべき乾燥室内温度Ｔ℃及びその温度に保持すべき時間は、樹種や、木材の形状及び寸法、初期含水率、要求される材の品質などにより変化するので、これらの条件に応じて経験的に適宜定められるべきものであるが、概ね、乾燥室内温度を９５℃以下、８５℃以上、望ましくは９０℃前後の温度Ｔ℃に、少なくとも０．１時間以上、望ましくは３〜１０時間、又はそれ以上に亘り保持することが望ましい。
然しながら、この保持時間を１８時間以上としても、得られる材の品質には特段の向上が見られない。

設定温度の切り下げは、一度に行っても良いが、２段階又は３段階に分け、段階的に行うことが推奨される。
設定温度が切り下げられると、乾燥室内温度は急速に降下し、木材表面温度も追随して降下するが、木材中心温度はそう急速には降下しない。

乾燥室内温度が設定温度Ｔ℃に達すると、温度制御装置が乾燥室内温度を維持するため作動するので、乾燥室内温度はＴ℃に保持される。
この状態は、最低０．１時間以上、１８時間以下の間、望ましくは３〜１０時間保持される。
然るときは、木材表面温度は１００℃以下、９０℃以上、望ましくは９５℃前後に達する。

このような状態が一定時間継続すると、木材内部の含水率分布が略安定し、木材表面を冷却しても、木材内部で急激な水分移動及びその水分移動に基づくストレスが発生しなくなり、内部割れが防止されるようになるものと思われる。
理想的には、木材の中心部温度がＴ℃に近い一定限界に達するまで、この状態を保持することが望ましいが、製品乾燥工程では、製品材の中心温度を測定することができない。

又、木材の中心温度が設定温度Ｔ℃に低下するまでには長時間を要するが、そのように温度が低下するのを待たなくとも、木材表面温度が、温度Ｔ℃となってから一定時間経過した後、処理を打ち切ることができ、このようにしても、製品の品質管理上問題は無く、内部割れの少ない良質の乾燥材が得られる。
この処理所要時間は、樹種や材の形状、及び、要求される材の品質によるものであるが、少なくとも０．１時間以上、１８時間以下、望ましくは、３〜１０時間程度で充分に目的を達成することができる。

乾燥室内温度が１００℃以下となると、飽和蒸気圧が１気圧以下となるので、室内が負圧とならないよう、外気が導入され、室内雰囲気は飽和空気となる。
然しながら、木材の内部温度は、引き続き１００℃以上であるので、引き続き、木材内部での水分拡散、表面からの蒸発が行なわれる。このとき発生する水蒸気の大部分は木材表面温度より低温の雰囲気内で復水し、細霧となって乾燥室外に排出される。

緩衝工程で、乾燥室内温度をＴ℃に保つ時間は、木材表面温度の降下を一定限度に抑制し、その間に木材内部の乾燥を進行させ、含水率の過大な不均一分布に基づく内部応力を許容限界以下とするまでの所要時間である。
室内温度の切り下げを１段階だけで行っても、本発明の目的は概ね達成されるが、室内温度の切り下げを２段階又は３段階に分けて行うと、一層確実に内部割れの発生を防止し得る。

この緩衝工程が終了すると、乾燥室内の温度制御が停止され、通常の冷却工程に移行する。
この工程では、乾燥室は自然冷却に委ねられ、乾燥室内温度はやや急速に低下する。乾燥室温度が一定の温度まで降下したら、扉を開いて、乾燥材を取り出す。

本発明は、内部割れの発生しやすいスギ角材などに適用しても、内部割れを生じさせない、優れた乾燥方法を提供し得るものである。
又、本発明方法によれば、最後の冷却工程の時間を大幅短縮できるので、総合的には処理時間を短縮し得る効果もある。

特許第３１６５８１７号発明方法は、実質的に下記の５工程から成る。
記
Ａ）乾燥室内へ蒸気を導入し、室内の空気を室外に排出するエアパージ工程。
Ｂ）エアパージ工程の実行過程中又はその終了後に開始される工程であって、室内の蒸気の一部を取り出し、加熱し、過熱蒸気として乾燥室内に還流せしめ、乾燥室内の木材温度を木材のリグニン軟化温度以上に上昇させる昇温工程。
Ｃ）昇温工程に引き続き行われる工程であって、乾燥室内の蒸気の一部を取り出し、再加熱し、過熱蒸気として乾燥室内に還流せしめ、乾燥室内を前工程と同一の温度に保持し、熱処理する工程。
Ｄ）熱処理工程に引き続き行われる工程であって、乾燥室内の蒸気の一部を取り出し、余剰の蒸気を乾燥室外に排出すると共に、残部を前工程より高温に加熱し、過熱蒸気として乾燥室内に還流せしめ、木材中の水分を蒸発させる乾燥工程。
Ｅ）温度制御を停止し、自然冷却により、乾燥室内温度を低下させる冷却工程。

上記Ｂ）昇温工程の末期からＤ）乾燥工程中の乾燥室内酸素濃度は概ね以下の通りである。
Ｂ）昇温工程の末期 ０．５％
Ｃ）熱処理工程 ０．０１％
Ｄ）乾燥工程 ０．５％
このような酸素濃度から、乾燥室内に空気は残留しておらず、室内雰囲気は過熱蒸気と見られることが判明する。
このような酸素は、乾燥される木材から発生するものと考えられている。

本発明においては、上記乾燥工程の終期に緩衝工程を設けるものである。
乾燥工程の末期における乾燥室内温度は、１２５℃前後であり、木材温度も略この乾燥室内温度に到達している。
この状態では、木材の中心部の含水率が相当に低下しており、木材からの蒸発量も極めて低いレベルになっている。
然しながら、木材内部には、尚、温度分布及び含水率分布に基づく応力が残留しており、そのため従来のように、そのまま冷却工程に入り、排気を停止した状態で冷却すると、割れを発生するので、これを防止するため、冷却工程には数日をかけて、緩やかに冷却をする必要があり、然も、そのようにしても、内部割れの発生を防止することができなかった。

図１は、本発明を実施したときの乾燥室内温度及び材表面温度の変化を示すグラフ、
図２は、緩衝工程中の乾燥室内温度及び材表面温度の変化を示すグラフ、
図３は、特許第３１６５８１７号発明方法で処理したスギ角材の断面写真、
図４は、本発明方法で処理したスギ角材の断面写真、
図５は、本発明方法で処理したヒノキ角材の断面写真、
図６は、本発明方法で処理したヒノキ角材の断面写真である。

図１中には、本発明方法によりスギ角材を乾燥処理する際の乾燥室内温度及び材表面温度の変化が示されている。
図２は、図１中の緩衝工程における温度変化の詳細図である。
尚これらのグラフにおける各工程の所要時間は、乾燥室の容量及び等価熱容量、内部に収容された木材の樹種、含水率、寸法、石高、蒸気供給源の容量、外気温などにより変動するものであり、本実施例はその一例である。

先ず、最初のエアパージ工程では、乾燥室内に大量の水蒸気を供給し、エアパージを行う。このエアパージは略１時間前後行うことが推奨される。乾燥室内の空気は、水蒸気により押し出されるほか、乾燥室内で生じる復水に吸収され排出される。

第二の昇温工程は、乾燥室内部の蒸気を回収、再加熱して乾燥室内に還流させ、乾燥室内部の蒸気をリグニン軟化温度以上の高温度の過熱蒸気とし、木材温度をそのリグニン軟化温度以上に高め、組織中のリグニンを軟化させる工程である。木材中心部までリグニンを軟化させるためには約３〜５時間を要する。

第三の熱処理工程は、乾燥室内の温度を一定時間前工程と同一の温度に保ち、木材組織内の内部応力を除去する工程である。
この工程で、木材は桟積みの上部に載置された重錘等により反りなどを矯正され、内部応力が開放され、後続する乾燥工程などで割れたり変形したりしないようになる。この工程には約５〜７時間掛かる。

第四の工程は、乾燥室内過熱蒸気の温度を１２０〜１３０℃、望ましくは１２４℃前後に上げ、乾燥室内蒸気の一部を回収、再加熱し、乾燥室内に還流させながら、蒸気の一部を乾燥室外に排出し、木材を脱水・乾燥させるメイン工程である。この工程は、木材表面温度が乾燥室内蒸気温度と略同一となるまで継続する。通常、この工程には、２４時間〜４８時間、又はそれ以上の時間を要する。

木材温度が乾燥室内蒸気温度と完全に平衡したときは、木材は表層部から中心部まで含水率が一定となり、水分の蒸発が停止するが、そのようになるためには相当の長時間を要するので、温度差が１Ｋ前後又はそれ以下となったときはこの工程を終了するが、本発明方法では、この乾燥工程の末期に、乾燥室内蒸気温度の制御目標値を、１００〜８０℃の範囲内から選ばれる温度Ｔ℃に引き下げて、一定時間運転を継続する。
この実施例においては、
Ｔ＝９０℃
であるが、一旦、設定温度を１１０℃とし次いで、９０℃に引き下げている。

このようにする理由は、木材内部温度の急激な低下を回避するためである。
従って、この切り下げは２段若しくは３段の多段とすることができ、又、乾燥室の等価熱容量や、樹種、温度制御装置の特性などの条件によっては、１段階で直ちに９０℃等に切り下げることができる。

温度制御装置が２値オン・オフ式であるときは、設定温度が切り下げられると、熱源が停止状態になるので、室内温度及び木材表面温度は、従来の冷却工程の初期と同じ速度で低下することになる。
然しながら、本発明においては、乾燥室内温度の制御目標温度が直接若しくは段階的に１００℃をやや下回る温度Ｔ℃に変更されただけで、他の運転条件に変更がなく、乾燥室内蒸気の循環と排気が行なわれているので、内部割れの発生が防止されるものである。

このため、木材内部のストレスの発生が抑制され、内部割れが防止される。
更に、本実施例の如く、設定温度の切り下げが２段階に行なわれるときは、この内部割れ防止効果が一層確実となる。
要するに本発明は、従来方法における、冷却工程の初期に生じる過大な内部ストレスの発生を阻止し、これにより内部割れを防止しようとするものである。
而して、この緩衝工程では、乾燥室内蒸気の循環と排気が継続している状態で、乾燥室内温度を低下させ、これにより内部割れの発生を抑制するものである。
最後の冷却工程では、温度制御装置が停止せしめられ、乾燥室は一定温度に下がるまで自然冷却される。

図３〜図６は本発明の効果を示す木材断面写真である。
図３は、上記特許第３１６５８１７号発明方法により乾燥した１２０×１２０ｍｍスギ角材の断面写真であり、断面に１０箇所近い大きな幅広い内部割れの発生が見られる。これはごく標準的なサンプルである。
図４は、本発明方法で乾燥した１２０×１２０ｍｍスギ角材の断面写真であり、１~３箇所に軽度な内部割れが見られる程度に改善されている状態が示されている。
図５及び図６は、本発明方法で乾燥した１２０×１２０ｍｍヒノキ角材の断面写真である。
図５のサンプルには、全く内部割れが見られない。
図６のサンプルは大きな節がある材であるが、ごく軽微な内部割れが２ヶ所に見られるだけである。
これらの写真から、本発明によるときは、長年の懸案であったな内部割れ問題が解決されたことが明らかとなる。

本発明は叙上の如く構成されるので、良質の乾燥木材を供給し得る、優れた木材乾燥方法を提供し得るものであり、実施すれば林業上多大の利益がある。

本発明を実施したときの乾燥室内温度及び材表面温度の変化を示すグラフである。 緩衝工程中の乾燥室内温度及び材表面温度の変化を示すグラフである。 特許第３１６５８１７号発明方法で処理したスギ角材の断面写真である。 本発明方法で処理したスギ角材の断面写真である。 本発明方法で処理したヒノキ角材の断面写真である。 本発明方法で処理した上記とは別のヒノキ角材の断面写真である。

Claims (3)

1. 処理すべき木材を、乾燥室内に収容し、室内空気を蒸気により置換するエアパージ工程と、室内蒸気の一部を室外に排出しつつ、室内蒸気を加熱、乾燥室内に還流させ、木材をそのリグニン軟化温度以上の温度に加熱する昇温工程と、乾燥室内温度を一定時間上記温度に保持する熱処理工程と、乾燥室内温度を更に高め木材中の水分を蒸発させる乾燥工程と、乾燥室内の温度を低下させる冷却工程と、から成る木材の乾燥方法において、
   乾燥工程の終期に、乾燥室内温度の制御目標値を１００℃以下、８０℃以上の範囲内に定められる温度Ｔ℃に変更し、乾燥室内温度がＴ℃に達した後０．１時間以上、１８時間以下の時間、室内温度をＴ℃に保持する緩衝工程を設けることを特徴とする上記の木材乾燥方法。
2. 緩衝工程における乾燥室内温度の制御目標値Ｔ℃が９５℃以下、８５℃以上の範囲内の温度であり、室内温度をＴ℃に保持する時間が、３時間以上１０時間以下である、請求項１に記載の木材乾燥方法。
3. 緩衝工程において、乾燥室内温度の制御目標値がＴ℃に達するまで、制御目標値が順次段階的に引き下げられる、請求項１又は２に記載の木材乾燥方法。