JP2857356B2 - 木材の内部応力緩和除去及び乾燥処理方法並びにその処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、木材の改質処
理、特に木材の内部応力の緩和除去及び乾燥処理方法並
びにその処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】樹木は、風等の外力に抵抗して樹体を維
持するために、外力と対抗する内部応力（成長応力）を
プレストレスとして持っている。この内部応力が樹木を
伐採したり、丸太を製材する際に開放され、この内部応
力に基づく歪みが木材を狂わせる原因の一つとなってい
る。

【０００３】また、前記の内部応力の発生に樹体内の水
が重要な働きをしており、樹木の組織を構成する個々の
細胞は細胞内に水を取り込み、膨圧によりその形態を維
持しているが、この膨圧が集積されて内部応力形成の一
因となっている。そのため、木材の狂いを除くために含
水率を下げることが考えられる。

【０００４】そこで、木材の人工乾燥が行われたが、従
来、木材の人工乾燥は主として製材したものについて含
水率を下げるだけの目的で行われたものがほとんどであ
って、木材中の水が原因となる狂いを除去することはあ
る程度可能である。

【０００５】例えば、ＩＦ方式（インターナルファン方
式）と呼ばれる熱風及び加湿を組み合わせ、最初高温度
の環境から除々に処理室の雰囲気を乾燥状態にすること
によって、木材を乾燥する方式が一般的である。

【０００６】また、人工乾燥として、特開昭６０ー１０
３２８１号公報には、処理すべき木材に対し、該木材の
発火点以上である５００°Ｃ程度の熱風を、木材を発火
させることなく、照射させる一方、該木材の下方に冷風
を流通させて木材からの水分を凝縮させ、前記熱風より
低温の雰囲気下に適宜時間放置する木材の処理と、この
処理のための装置として、図９に示すように、処理すべ
き木材Ｗを収容できる大きさで、一端に適宜の燃料を燃
焼させる形式の熱源部２１を備える一方、他端にはその
下部に外気取入用の開口部２２を有する扉２３を配設し
た処理室２４と、前記熱源部２１側に熱風のみ処理室２
４へ通過させるためのジグザグ状の流路２５を形成する
と共に、該流路下方には熱源部２１に連通し前記開口部
２２やその近傍に設けた開口部２６からの外気を供給す
るための流路２７が形成されたものが示されている。

【０００７】また、特開平４ー１４８１８４号公報に記
載された木材乾燥装置は、図８に示すように、密閉可能
な木材収容室３１と燃焼ガス発生炉３２とが両者の上部
に開口された燃焼ガス供給路３３で連通しており、燃焼
ガス発生炉３２の底部には燃焼室３４が形成され、木材
収容室床に設けられた燃焼ガスの循環経路３５の複数個
のダンパー３６及びファン３７によって強制的に木材収
容室から燃焼室へガスを循環させるようにした木材乾燥
装置である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来の人工乾燥
は、木材中の水が原因となる狂いを除去することはある
程度できるが、内部応力を除去することができないた
め、乾燥処理後の木材に反り、割れ、ねじれ、波打ちあ
るいは落ち込みなどの現象が現れ、乾燥材の歩留りを低
下させるという欠点がある。

【０００９】前記のＩＦ方式では木材の内部応力に基ず
く狂いは除去できないし、前記の熱風による丸太の乾燥
法である特開昭６０ー１０３２８１号公報及び特開平４
ー１４８１８４号公報に記載の技術も以下に述べる理由
でいずれも不十分なものである。

【００１０】まず、前記特開昭６０ー１０３２８１号公
報に記載された木材乾燥技術は、処理温度として５００
°Ｃの高温を用いるものであり、処理温度が木材の発火
点をはるかに越えており、操作を誤れば処理木材が燃焼
する危険を伴うだけでなく、材表面の炭化、急激な熱処
理による材表面の乾燥割れを引き起し、処理材の歩留り
が著しく低下するという欠点がある。

【００１１】さらに、そのための処理装置は、処理室側
に空気の取入口を設け、冷気を導入して水蒸気を凝縮さ
せ、液状にして処理室下部から除去するものであるが、
５００°Ｃの熱風の存在下で処理室内の温度を水蒸気が
凝固するまで急激に下げるためには大量の冷気を導入し
なければならず、その結果、処理室の温度が不均一とな
り熱効率を下げるだけでなく、燃焼室に流入した空気に
よって、燃料が急激に燃え上がったり、ススが充満した
処理室内では高温のため粉塵爆発が起こる可能性がきわ
めて大きいため、実用上きわめて危険であるという欠点
がある。

【００１２】次に、特開平４ー１４８１８４号公報に記
載された木材乾燥装置は、循環経路に置かれたダンパー
及びファンが大量のタールによって短期間で使用不能と
なって、循環経路が機能しないという欠陥に加え、燃焼
ガスが木材処理室と燃焼室との間で均一に循環しないた
め、木材処理室内の温度のバラツキが大きいという欠点
がある。さらに、この装置は、木材の狂いの本質的な原
因となる内部応力の緩和除去に関する配慮が欠落してお
り、そのため、温度処理が不適切で処理材の仕上がりの
認定基準を確定することは困難である。

【００１３】そこで、本願発明は、木材の内部応力を緩
和除去すると共に含水率を適度に調整して乾燥させ、処
理後の木材に反り、割れ、ねじれ、波打ちあるいは落ち
込みなどの欠陥が発生しないようにして、処理材の歩留
りを向上させる処理方法及びその処理方法を効率よく且
つ安全に実施できる処理装置を提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】はじめに、本願発明によ
る内部応力緩和除去の基本原理について説明する。

【００１５】木材は水を含んでおり、例えば生材丸太
は、その重量の半分あるいは多いものではその三分の二
の水を含んでいる。常温では木材中の水は、組織の中を
自由に動く自由水と組織を構成するリグニン、ヘミセル
ロースなどの成分と水素結合等によって結びついている
結合水とに分けられるが、外部から熱が加わると熱エネ
ルギーによって水の分子運動は次第に激しくなり、やが
て結合水も動きだし、このような状態になると、これま
で前記の各成分を結びつけていた水素結合が切れ、前記
成分の大きな分子も動き易くなる。その結果、乾燥状態
でそれぞれ１３４〜２３５°Ｃ及び１６７〜２１７°Ｃ
であったリグニン及びヘミセルロースの熱軟化点が十分
な水の存在下では７７〜１０８°Ｃ、５４〜１４２°Ｃ
に低下し、細胞全体が動き易くなり、この動きは内部応
力によって加速され、木材の細胞が連続しているために
材内の歪みは全体に均一に吸収され、全体の内部応力が
均一で安定した状態になるまで続いて内部応力の緩和が
なされる。この過程で前記成分の一部は熱分解を起こ
し、低分子化し水に可溶の成分となり溶出する。水は、
材温の上昇とともに木口から水蒸気となって蒸発し、や
がて木材処理室内の水蒸気圧と木材中の水蒸気圧が平衡
状態となり、この状態は材温が約５０〜１００°Ｃの間
で約４０〜２００時間持続し、この間に木材内部の内部
応力緩和除去がゆっくりと進行する。

【００１６】そこで、本願発明は、前述の木材の熱特性
を応用し、特定の温度範囲による適度の水分の存在下で
木材を熱処理して内部応力を除去するとともに乾燥も行
なうものである。

【００１７】本願発明は、処理すべき木材を半密閉状態
で該木材の発火点以下の１５０℃程度の温度で飽和水蒸
気を含む、燃焼ガスの雰囲気に、材温が１００℃以下の
状態で一定時間保持し、この状態下で木材の主成分であ
るリグニン及びヘミセルロースの熱軟化点の降下現象と
内部応力による木材組織の細胞の流動を利用し、該木材
の狂いの原因となる内部応力の緩和、除去を行なうと共
に、材内の水分の蒸散を促し、該木材を乾燥させるもの
である。

【００１８】また、本願発明の処理装置は、ガス流量調
節可能な複数の開口部が設けられた隔壁によって分けら
れた木材処理室と燃焼ガスを発生させる燃焼室とからな
り、木材処理室の開口部には燃焼ガスの送りダクトが連
接され、木材処理室には木材搬入口付近の下部にガス流
量調節可能な排煙口が設けられ、木材処理室の床下には
燃焼室に連通する燃焼ガスの返りダクトが設けられ、燃
焼室の底部の最下部には燃料の燃焼を調整する空気導入
口が設けられていることを特徴とする。

【００１９】本願発明では、木材に熱を加えることによ
り、木材の主成分であるリグニン、ヘミセルロースの熱
軟化点の降下現象および内部応力による木材組織の細胞
の流動によって、該木材の狂いの原因となる内部応力の
緩和、除去を行なうと共に、材内の水分の蒸散を促し、
該木材を乾燥させることができる。

【００２０】また、処理装置の燃焼室で木材を燃焼させ
ると、不完全燃焼によって生じるススを含む低温の燃煙
ガスが隔壁の開口を通って木材処理室へ送られ、木材が
急速加熱を受けることなく緩慢に熱処理され、さらに、
木材処理室では、ススが壁面に付着してスス層が形成さ
れ、このスス層と床面の炭材との黒体輻射の輻射熱によ
り木材処理室に装入されている木材が遠赤外線で加熱さ
れ、熱効率の良い処理ができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本願発明において、木材中には十
分な水（沸点１００°Ｃ）が存在することにより材温が
約１００°Ｃを越えないこと並びにリグニン及びヘミセ
ルロースの熱軟化点が平均１００°Ｃ以下の範囲にある
ことから、材温を前記熱軟化点の温度範囲に保持すれば
よく、材温が１００°Ｃ以下なので、雰囲気ガスの温度
は、木材の発火点より低い温度で十分であり、例えば、
１５０°Ｃ以下で十分に内部応力除去の効果が有り、ま
た、前述のリグニン及びヘミセルロースの熱軟化点の温
度範囲の下限値を考慮して、約６０°Ｃ以上あればよ
い。また、雰囲気ガスの温度は、前記熱軟化点の温度範
囲内で段階的に昇温させることができ、例えば、第１段
階で７０°Ｃに保持し、第２段階で１５０°Ｃに保持す
ることにより、木材の急速な昇温を避け、ゆっくりと昇
温させてもよい。

【００２２】また、本願発明においては、雰囲気ガスに
水蒸気が含有されていることにより、木材処理室内の温
度が均一に保たれ、木材がむらなく蒸される状態に保持
されてゆっくりと処理が進行し、また、飽和水蒸気下で
は材内外が一定の蒸気圧に保たれるために、木材の大小
に関係なく一定の含水率とすることができる。雰囲気ガ
スに含ませる水蒸気は、燃焼室の廃木材の燃焼あるいは
処理する木材の加熱により供給される。

【００２３】さらに、本願発明では、水の熱伝導が気乾
状態の木材のそれより６〜８倍も大きいことを利用する
ことから、木材に対する熱の伝搬が速やく、熱効率を高
める状態で行なうことができるので、処理する木材は、
水分を含有する通常の木材だけでなく、特に含水率が高
い間伐材のような生丸太の場合には、きわめて優れた効
果を奏する。

【００２４】これに加えて、燃焼室の木材の燃焼により
発生したススの黒体輻射によって、遠赤外線による輻射
熱が有効に利用され、丸太の温度を１００°Ｃ以上に上
げる必要がないことから、炉内温度も１５０°Ｃ以下の
低温に保てばよく、さらに、本願発明の方法が一定時間
半密閉状態で行われるので、燃料の不完全燃焼下でゆっ
くり燃焼させることで燃費も節約でき、理想的な木材の
内部応力除去と乾燥ができる。

【００２５】なお、本願発明において、処理すべき木材
を半密閉状態で１５０°Ｃ以下の温度に保持する時間
は、木材の大小、木材の含水率、雰囲気の温度などを考
慮して決定されるが、約４０〜２００時間である。その
後、木材処理室を開放して数日から十日前後の時間をか
けて冷却する。

【００２６】次に、本願発明の処理方法を実施するため
の処理装置について図１〜図４を用いて説明する。

【００２７】本願発明の処理装置は、木材処理室１と燃
焼室２で構成され、両室は、ダンパのような流量を調節
できる手段を有する複数の開口部３が上中下に設けられ
ている隔壁４によって分けられており、隔壁４の上部及
び中央部の開口部３は主に燃焼室２から木材処理室１へ
の燃焼ガスの通路となり、下部の開口部３は木材処理室
１から燃焼室２への空気の流入口及び燃焼ガスが木材処
理室１と燃焼室２とを自然循環する際の木材処理室１か
ら燃焼室２に燃焼ガスが戻る際の通路となる。開口部３
及び排煙口７の開閉の度合を調節することによりを循環
する燃焼ガスの流量を調節し、木材処理室１の雰囲気の
温度を木材の発火点以下の温度、例えば６０〜１５０°
Ｃに調節することができる。

【００２８】木材処理室１には、扉用レール５で開閉可
能な扉６からなる木材搬入口の左右下部に排気流量を調
節できる排煙口７を備えている。なお、仮に木材処理室
１が急激な燃焼ガスの発生により高圧になった場合に、
室内を減圧するための圧力調整蓋を設けてもよい。

【００２９】燃焼室２の底部には、木材処理室１の底部
より下に下げられ、その最下部の左右に燃料の燃焼をコ
ントロールする調整機能を持った空気導入口８が設けら
れている。さらに、燃焼室２上部左右には、木材処理室
１と同様に室内の減圧のために圧力調整蓋を設けてもよ
い。

【００３０】木材処理室１は、室内の温度分布を均一に
し、熱効率を上げるため、床には炭材９が敷かれると共
に、壁面１０は燻煙ガスに含まれるスス（カーボン）が
付着してスス層が形成されており、この炭材とスス層に
吸収された熱エネルギーを黒体輻射熱として再び熱源と
して利用して、木材処理室に装入されている木材を遠赤
外線加熱し、熱効率を高める。さらに、木材処理室１に
おける黒体輻射熱をより有効に利用するため、壁面に凹
凸などの多面体を形成して内部表面積を大きくすると、
より熱効率が向上する。

【００３１】処理する木材の装入は、搬送レール１１を
走行する台車など適宜の装入手段を採用することができ
る。

【００３２】次に、処理能力の大きな処理装置の例につ
いて図５〜図７により説明する。

【００３３】図５〜図７に示す処理装置は、木材処理室
に台車を複数列平行に装入できるようにし、前述の燃焼
室で発生させた燃焼ガスを開口部３によって木材処理室
１と燃焼室２とを自然循環させる方式に代えて、送りダ
クト及び返しダクトを利用して処理能力をアップしたも
ので、隔壁４の上部に上段、中段及び下段の３段に開口
部３を複数設け、開口部３はガス流量を調節するための
調整弁３８を設ける。調整弁３８の開閉調節は、周知の
駆動装置、例えば、モートルシリンダー３９の駆動で行
う。木材処理室１側の開口部３の木材処理室１側は送り
ダクト４０が連接されており、燃焼ガスを木材処理室１
の温度分布が均一となるように供給するために、上段の
開口部３ａに連接される送りダクト４０ａが木材処理室
１の装入口近くまで延びており、次いで中段の開口部３
ｂに連接される送りダクト４０ｂが木材処理室１の中間
まで延びている。下段の開口部３ｃは、ダクトを設けて
いないが、木材処理室１の容量に応じて送りダクトを設
けてもよい。

【００３４】木材処理室１の床下には燃焼室２に通じる
返しダクト４１を形成する。この方式では、燃焼室内の
燃焼ガスを送りダクトにより木材処理室内全体に均一に
供給し返りダクトで吸い込むことによりガスの循環を効
率よく行うことができるため、木材処理室内温度分布を
均一に保持することができるので、熱効率の良い均質処
理ができる。

【００３５】

【実施例】木材処理室に処理すべき木材を装入し、木材
処理室を半密閉状態にした後、燃焼室で廃木材などの木
材を燃焼させ木材処理室の雰囲気ガスの温度が１５０°
Ｃ以下となるように、隔壁の開口部を通る燃焼ガスの流
量を隔壁の開口部及び排煙口の開閉により調節する。雰
囲気ガスに含ませる水蒸気は、燃焼室の廃木材の燃焼あ
るいは処理する木材の加熱により供給される。雰囲気ガ
スの温度が木材の発火点よりかなり低温であるにかかわ
らず、処理すべき木材に含まれる大量の水により材内の
熱の伝導は速く、雰囲気中の水蒸気の存在によって木材
を蒸す状態となり、均一に加熱処理することができる。

【００３６】半密閉状態を約４０〜６０時間継続後、燃
焼室の燃料の消耗と共に木材処理室の雰囲気ガス温度が
下がり始めた時点で木材処理室の排煙口を全開すると、
木材処理室内の水蒸気、燃焼ガスが外部に排出され、木
材処理室と材内の水蒸気圧の平衡が崩れる。この時、材
中の水が水蒸気となって材外に再び出てくることにな
る。排煙口から除々に木材処理室の水蒸気及び燃焼ガス
排出されることにより、木材処理室と材中の水蒸気圧に
差ができるため、これを補うように材中から水蒸気が排
出し、木材中の含水率は減少すると同時に木材処理室及
び木材中の蒸気圧は除々に下がっていく。この間、木材
中から常に水蒸気が木材処理室内に供給され緩慢な雰囲
気で木材は処理され、一種の焼きなまし処理を受けるこ
とになる。

【００３７】燃焼室の燃料は、緩慢な燃焼過程で炭化し
て炭の状態で燃焼し始めると燃焼ガスは二酸化炭素と一
酸化炭素しか含まれなくなるため、木材処理室に導入さ
れる燃焼ガスは乾燥ガスとなり、木材処理室の乾燥度は
高くなる。この状態では炭の燃焼に伴う遠赤外線の効果
が顕著となり、さらに遠赤外線に基づく熱エネルギーを
吸収したスス等の黒体輻射熱が処理材に相乗効果的に作
用し、木材の乾燥が進む。やがて、燃焼室の燃料が完全
に消費されると木材処理室の温度は除々に降下し、木材
処理室内の温度が外部温度に近くなったところで、木材
の内部応力緩和除去及び乾燥を終了する。

【００３８】本願発明の処理方法によれば、熱処理によ
って乾燥も同時に行われ、含水率が２００％以上の生木
材でも４０〜５０％まで低下させることができる。

【００３９】本願発明の実施例と従来例とを比較した結
果は、表１のとおりである。なお、従来例１は、前述の
従来技術で述べた人工乾燥で、熱風を強制循環させるた
めに乾燥室内にファンを設けたインターナルファン方式
の乾燥法であり、従来例２は前述の特開昭６０ー１０３
２８１号公報に記載された木材乾燥処理法である。

【００４０】

【表１】 表１から明らかなとおり、本願発明の方法で処理した木
材は、従来法で処理した木材に比べて、内部応力の除去
により、木材に反り、波打ち、落ち込みが無く寸法安定
性に優れ、切削性も向上し、歩留りが向上していること
が分かる。

【００４１】また、処理装置については、本願発明は従
来の装置に比べて、製造コストが低く、炉内温度及び材
内温度が安定しており、熱効率もよい。

【００４２】

【発明の効果】本願発明は、次に示すとおり優れた効果
を奏する。

【００４３】（１） 本願発明の処理方法は、木材成分
の熱的特性を利用するので、低温の雰囲気で効率よく内
部応力が除去でき、また、雰囲気温度を低温に保てばよ
いので、燃料の不完全燃焼でゆっくり燃焼させることで
燃費も節約できる。

【００４４】（２） 本願発明の処理方法は、木材に含
まれた水の熱伝導により、熱の伝搬が速やかに進行する
ので、熱効率を高める状態で行なうことができ、特に、
間伐材のような水分の多い木材をきわめて効率よく処理
できる。

【００４５】（３） 本願発明の処理方法は、木材の発
火点以下の低温の雰囲気ガスで処理するので、安全に操
業できる。

【００４６】（４） 本願発明の処理装置は、その構造
がシンプルであるため、装置の製造コストが従来の装置
に比べて大幅に低く、また、低温雰囲気を用いるので耐
久性がある。

【００４７】（５） 本願発明の処理装置は、燃焼ガス
に含まれるスス、処理室壁面にタール分と共に付着した
ススにより吸収された熱エネルギーを黒体輻射熱として
利用するため、熱効率を高めることができ、木材処理室
におけるスス黒体輻射熱を有効に利用するため、木材処
理室の壁面を多面体とし内部表面積を大きくすることに
より、より熱効率を上げることができる。

【００４８】（６） 本願発明は、原木のままで処理す
ることができ、その結果、含水率が大幅に減少し木材の
重量が減少して輸送コストが軽減され、処理された木材
は内部応力の除去により、切削抵抗が減少して製材や加
工時のエネルギーコストが軽減されるとともに、製材品
に狂いが発生しにくいので製材品、加工品の歩留りも向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明による処理装置の正面図。

【図２】図３の燃焼室の断面図。

【図３】本願発明による処理装置の平面図。

【図４】図３の木材処理室の断面図。

【図５】本願発明による処理装置の正面図。

【図６】図５の燃焼室の断面図。

【図７】図５の木材処理室の断面図。

【図８】従来の処理装置の説明図。

【図９】従来の他の処理装置の説明図。

【符号の説明】

１ 木材処理室、 ２ 燃焼室、 ３，３ａ，３ｂ，３
ｃ 開口部、 ４ 隔壁、 ５ 扉用レール、 ６
扉、 ７ 排煙口、 ８ 空気導入口、 ９ 炭材、
１０ 壁面、 １１ 装入用レール、 ２１ 熱源部、
２２ 開口部、２３ 扉、 ２４ 処理室、 ２５
ジグザグ流路、 ２６ 開口部、 ２７冷気流路、 ３
１ 木材収容室、 ３２ 燃焼ガス発生炉、 ３３ 燃
焼ガス供給路、 ３４ 燃焼室、 ３５ ガス回収炉、
３６ ダンパー、 ３７ ファン、 ３８ 調節弁、
３９ モートルシリンダー、 ４０ａ，４０ｂ，４０
ｃ 送りダクト、 ４１返しダクト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B27K 5/00 - 5/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水蒸気を含み処理すべき木材の発火点以
   下の温度であって６０〜１５０℃の水蒸気飽和雰囲気ガ
   ス中に処理すべき木材の材温を５０〜１００℃に一定時
   間密閉に近い状態で保持し、木材の主成分であるリグニ
   ン、ヘミセルロースの熱軟化点を降下させると共に内部
   応力により木材組織の細胞を流動させ、且つ材内の水分
   を蒸散させることを特徴とする木材の内部応力緩和除去
   及び乾燥処理方法。
2. 【請求項２】 ガス流量調節可能な複数の開口部が設け
   られた隔壁によって分けられた木材処理室と燃焼ガスを
   発生させる燃焼室とからなり、木材処理室の開口部には
   燃焼ガスの送りダクトが連接され、木材処理室には木材
   搬入口付近の下部にガス流量調節可能な排煙口が設けら
   れ、木材処理室の床下には燃焼室に連通する燃焼ガスの
   返りダクトが設けられ、燃焼室の底部の最下部には燃料
   の燃焼を調整する空気導入口が設けられていることを特
   徴とする木材の内部応力緩和除去及び乾燥処理装置。
3. 【請求項３】 前記木材処理室の底部に炭材層が形成さ
   れていることを特徴とする請求項２記載の木材の内部応
   力緩和除去及び乾燥処理装置。
4. 【請求項４】 前記木材処理室の壁面を多面体としたこ
   とを特徴とする請求項２又は３記載の木材の内部応力緩
   和除去及び乾燥処理装置。