木材の乾燥

木材乾燥（木材乾燥ともいう）は、木材を使用する前に木材の水分含有量を減らします。乾燥が窯で行われる場合、製品は窯乾燥木材または木材と呼ばれますが、自然乾燥はより伝統的な方法です。

木材を乾燥させる主な理由は 2 つあります。

木工

木材が建築材料として使用されるとき、建物の構造支持材としてであれ木工品としてであれ、木材は周囲の環境と平衡になるまで水分を吸収したり放出したりします。平衡化（通常は乾燥）により木材の収縮が不均等になり、平衡化が急激に起こると木材に損傷を与える可能性があります。木材の損傷を防ぐために平衡化を制御する必要があります。^[要出典]

薪を燃やす

木材を燃やすとき（​​薪）、通常は最初に乾燥させるのが最善です。収縮による損傷は、木工目的での乾燥の場合のように、ここでは問題になりません。水分は燃焼プロセスに影響を与え、未燃焼の炭化水素が煙突から上がっていきます。50% 湿った丸太を高温で燃やし、排気ガスからの熱抽出が良好で排気温度が 100 °C になった場合、丸太のエネルギーの約 5% が水蒸気の蒸発と加熱によって無駄になります。凝縮器を使用すれば、効率をさらに高めることができますが、通常のストーブの場合、湿った木を燃やすための鍵は、非常に高温で燃やすこと、おそらく乾いた木で火を起こすことです。^{[引用が必要]}

用途によっては、木材をまったく乾燥させず、生のまま使用することもあります。多くの場合、木材は建築用木材の場合は屋外の空気と、木製家具の場合は屋内の空気と平衡を保たなければなりません。

木材は自然乾燥されるか、専用のオーブン（窯）で乾燥されます。通常、木材は乾燥前に切断されますが、丸太を丸ごと乾燥させることもあります。

表面硬化とは、乾燥が速すぎた木材や材木を指します。木材は最初に殻 (表面) から乾燥し、殻を収縮させて芯を圧縮します。殻の水分含有量が低い場合、殻は「固まり」、収縮に抵抗します。木材の芯は、水分含有量がまだ高い状態です。その後、芯が乾燥して収縮し始めます。ただし、収縮はすでに「固まった」殻によって抵抗されます。これにより、殻には圧縮応力、芯には引張応力という逆転した応力が発生します。この結果、表面硬化と呼ばれる解放されない応力が発生します。表面硬化した [木材] は、のこぎりで切断して応力を解放すると、大きく反り、危険な状態になることがあります。

木材は、植物学上の起源によって、針葉樹の針葉樹と広葉樹の広葉樹の 2 種類に分けられます。針葉樹は軽く、構造が一般的に単純ですが、広葉樹はより硬く、より複雑です。ただし、オーストラリアでは、針葉樹は一般に熱帯雨林の木を指し、広葉樹は硬葉樹種 (ユーカリ 属)を指します。

松などの針葉樹は、果樹などの広葉樹に比べて、一般的にはるかに軽く、加工しやすいです。針葉樹の密度は、350 kg/m ³から700 kg/m ³ですが、広葉樹は450 kg/m ³から広葉樹の水分量は、針葉樹と広葉樹で約1250 kg/m ³です。乾燥すると、どちらも約12%の水分を含みます ( Desch and Dinwoodie、1996 )。広葉樹は密度が高く構造が複雑なため、針葉樹に比べて浸透性が低く、乾燥がより困難です。広葉樹の種類は針葉樹の約100倍ありますが、乾燥と加工がより速く簡単にできるため、今日では針葉樹が商業用木材の主な供給源となっています。

生きている木や新鮮な丸太の木材には、多くの場合、木材の重量の 50% 以上を占める多量の水分が含まれています。水は木材に大きな影響を与えます。木材は継続的に周囲と水分や湿気を交換しますが、交換率は木材の密封度に大きく影響されます。

木材には3つの形態の水分が含まれています。

無料の水

細胞腔に含まれる水の大部分は、毛細管力によってのみ保持されます。化学的に結合しておらず、自由水と呼ばれます。自由水は液体の水と同じ熱力学的状態ではありません。毛細管力を克服するにはエネルギーが必要です。さらに、自由水には化学物質が含まれている可能性があり、木材の乾燥特性が変わります。

結合水または吸湿性水

結合水は水素結合によって木材に結合します。木材が水を引き付けるのは、細胞壁のセルロース、ヘミセルロース、リグニン分子に存在する遊離ヒドロキシル基 (OH)によるものです。ヒドロキシル基は負に帯電しています。水は極性液体であるため、セルロースの遊離ヒドロキシル基は水素結合によって水を引き付け、保持します。

蒸気

細胞腔内の水蒸気の形態は、通常、常温常湿では無視できるほど小さい。^[1]

木材の水分含有量は、乾燥質量に対する質量変化の割合として次の式で計算されます (Siau、1984)。

${\displaystyle {\text{水分含有量}}={\frac {m_{\text{g}}-m_{\text{od}}}{m_{\text{od}}}}\times 100\%}$

ここで、は木材の生の質量、はオーブン乾燥質量（通常、オーブンで100℃に設定した乾燥後に一定質量に達した質量）です。${\displaystyle m_{\text{g}}}$${\displaystyle m_{\text{od}}}$103 ± 2 °C (218 ± 4 °F）で24時間乾燥させる（ウォーカーら、1993年）。この式は、パーセンテージではなく、水の質量とオーブン乾燥木材の質量の割合として表すこともできます。たとえば、0.59 kg/kg（オーブン乾燥基準）は、59%（オーブン乾燥基準）と同じ水分含有量を表します。

生木が乾燥すると、毛細管力のみで保持されている細胞腔内の自由水が最初に失われます。強度や収縮などの物理的特性は、一般的に自由水の除去による影響を受けません。繊維飽和点 (FSP) は、細胞壁が結合水で飽和している一方で、自由水が完全になくなる水分含有量として定義されます。ほとんどの種類の木材では、繊維飽和点は水分含有量が 25 ～ 30% のときです。Siau (1984) は、繊維飽和点(kg/kg) は温度 T (°C) によって次の式で決まると報告しました。 ${\displaystyle X_{\text{fsp}}}$

${\displaystyle X_{\text{fsp}}=0.30-(T-20C)/1000K\;}$（1.2）

Keeyら(2000) は、繊維飽和点 (相対湿度 99% の環境における木材の平衡水分含有量) の異なる定義を使用しています。

木材は繊維飽和点以下で乾燥すると、次のような多くの特性が大きく変化します。

1. 体積（理想的には、結合水が失われるまで、つまり木材が FSP 未満で乾燥するまで収縮は発生しません）
2. 強度（衝撃曲げ強度と場合によっては靭性を除き、木材が FSP 未満で乾燥するにつれて強度は一般的に一貫して増加します (Desch and Dinwoodie, 1996)）。
3. 電気抵抗率は、木材が FSP 以下に乾燥すると結合水が失われ、急速に増加します。

木材は吸湿性物質です。木材は、蒸気の形で水分を吸収したり放出したりする能力を持っています。木材に含まれる水は、その時点で水で満たされている毛細管の最大サイズによって決まる独自の蒸気圧を発揮します。周囲の空間の水蒸気圧が木材内の蒸気圧よりも低い場合、脱着が起こります。その時点で水で満たされている最も大きなサイズの毛細管が最初に空になります。水がより小さな毛細管に次々に含まれるようになると、木材内の蒸気圧は低下します。最終的に、木材内の蒸気圧が木材上部の周囲の空間の蒸気圧に等しくなる段階に達し、それ以上の脱着は停止します。この段階で木材に残っている水分の量は、周囲の空間の水蒸気圧と平衡状態にあり、平衡水分含有量または EMC と呼ばれます (Siau、1984)。木材は吸湿性があるため、周囲の空気の相対湿度と温度と平衡状態になる水分含有量に達する傾向があります。

木材の EMC は周囲の相対湿度 (温度の関数) によって大きく変化しますが、温度による変化はそれほど大きくありません。Siau (1984) は、EMC は樹種、機械的ストレス、木材の乾燥履歴、密度、抽出物含有量、水分変化が起こる吸着の方向 (吸着または脱着) によってもわずかに変化すると報告しています。

木材は、使用後も吸湿性を保持します。木材は湿度の変動にさらされ、これが EMC を決定する主な要因となります。この変動は、日内変動や年間の季節変動など、多かれ少なかれ周期的である可能性があります。

木材の水分含有量の変化や使用中の木製物品の移動を最小限に抑えるため、木材は通常、その木材がさらされる平均 EMC 条件に近い水分含有量まで乾燥されます。これらの条件は、特定の地理的場所における屋内使用と屋外使用とで異なります。たとえば、オーストラリア木材乾燥品質規格 (AS/NZS 4787、2001) によれば、オーストラリアのほとんどの州では EMC は 10 ～ 12% が推奨されていますが、クイーンズランド州、ノーザンテリトリー州、西オーストラリア州、タスマニア州の一部地域では極端なケースで 15 ～ 18% に達することもあります。ただし、乾燥したセントラルヒーティングの住宅やオフィス、または常時空調設備のある建物では、EMC は 6 ～ 7% と低くなります。

木材は、水分含有量が変化すると収縮と膨張を起こすことがある (Stamm, 1964)。^{[2] [3]}収縮は水分含有量が減少すると起こり、膨張は水分含有量が増加すると起こる。体積変化はすべての方向で同じではない。最大の寸法変化は、年輪の接線方向に起こる。髄から外側、つまり放射状の収縮は通常、接線方向の収縮よりもかなり少ないが、縦方向 (木目に沿った方向) の収縮は非常に小さいため、通常は無視される。縦方向の収縮は 0.1% ～ 0.3% であるのに対し、横方向の収縮は 2% ～ 10% である。接線方向の収縮は、放射方向の収縮の約 2 倍になることが多いが、樹種によっては 5 倍にもなる。収縮は、接線方向で約 5% ～ 10%、放射方向で約 2% ～ 6% である (Walkerら、1993)。

木材の差方向収縮は次のことに関連しています。

1. 年輪内で晩材部と早材部の増分が交互に現れること。
2. 木質放射状組織が放射方向に及ぼす影響（Kollmann and Cote, 1968）
3. ミクロフィブリルの角度の変化やピットなどの細胞壁構造の特徴。
4. 中間層の化学組成。

木材の乾燥は、収縮による全体的な寸法変化が乾燥プロセス内にとどまるようにする技術と言えます。理想的には、木材は、後で（使用中に）木材が達成する平衡水分含有量まで乾燥されます。こうすることで、それ以上の寸法変化は最小限に抑えられます。

木材の寸法変化を完全になくすことはおそらく不可能ですが、化学的改質によってサイズ変化をなくすことはほぼ可能です。たとえば、木材を化学処理してヒドロキシル基を改質剤の他の疎水性官能基に置き換えることができます (Stamm、1964)。既存のすべてのプロセスの中で、無水酢酸による木材改質は、木材を損傷することなく高い抗収縮または抗膨張効率 (ASE) を達成できることで知られています。ただし、木材のアセチル化は、コスト、腐食、および木材への酢酸の閉じ込めのため、商業化が遅れています。木材の化学的改質に関する文献は膨大にあります (Rowell、1983、1991、Kumar、1994、Haque、1997)。

木材の乾燥は、一次木材加工産業からの製材製品に付加価値をつける方法の 1 つです。オーストラリア森林木材製品研究開発公社 (FWPRDC) によると、1 立方メートルあたり約 350 ドル以下で販売されている生の製材された広葉樹は、乾燥と加工により 1 立方メートルあたり 2,000 ドル以上に価値が上がります。しかし、現在使用されている従来の乾燥プロセスでは、外部と内部の両方に亀裂が生じ、品質に重大な問題が生じることが多く、製品の価値が低下します。たとえば、クイーンズランド州 (Anon、1997 年) では、乾燥された針葉樹の 10% が乾燥欠陥のために 1 立方メートルあたり 200 ドル価値が下がると仮定すると、製材業者は年間約 500 万ドルの損失を被っています。オーストラリアでは、針葉樹で年間 4,000 万ドル、広葉樹で同額かそれ以上の損失が生じる可能性があります。したがって、気候条件が 1 年を通して大きく異なる国々では、使用前に管理された条件下で適切に乾燥することが木材の使用において非常に重要です。^[要出典]

伐採後すぐに乾燥を行うと、木材は一次腐朽、菌による変色、特定の種類の昆虫による被害からも保護されます。腐朽や変色の原因となる生物は、通常、水分含有量が 20% 未満の木材では繁殖できません。すべての害虫ではありませんが、いくつかの害虫は生木でしか生息できません。

木材を乾燥することの上記の利点に加えて、以下の点も重要です (Walker et al.、1993; Desch and Dinwoodie、1996)。

1. 乾燥した木材は軽量化され、輸送および取り扱いコストが削減されます。
2. 乾燥木材は、ほとんどの強度特性において生木材よりも強力です。
3. 防腐剤を含浸させる木材は、特に油性防腐剤の場合、適切に浸透させるためには適切に乾燥させる必要があります。
4. 木材および木材製品の化学改質の分野では、適切な反応が起こるように、材料を一定の水分含有量まで乾燥させる必要があります。
5. 乾燥した木材は、一般に生の木材よりも加工性、機械加工性、仕上げ性、接着性に優れています (ただし例外もあります。たとえば、生の木材は乾燥した木材よりも旋盤加工が簡単な場合が多い)。塗料や仕上げ剤は乾燥した木材の方が長持ちします。
6. 木材の電気的特性と断熱性は乾燥によって向上します。

したがって、伐採直後の木材の迅速な乾燥は、原木の品質を大幅に向上させ、付加価値を与えます。乾燥は木材資源の使用を合理化することで、長期的な経済性を大幅に高めます。したがって、木材の乾燥は、世界中の多くの研究者や木材会社が関心を寄せる研究開発分野です。

木材内の水分は通常、水分含有量の高い部分から低い部分へと移動します (Walker他、1993)。乾燥は木材の外側から始まり、中心に向かって進みます。木材の内部から水分を排出するには、外側の乾燥も必要です。その後、木材は周囲の空気と水分含有量が平衡に達します。

水分移動の原動力は化学ポテンシャルです。しかし、木材の化学ポテンシャルを温度や水分含有量などの一般的に観察可能な変数に関連付けることは必ずしも容易ではありません (Keey et al. , 2000)。木材内の水分は、次の水分移動の原動力のセクションで説明するように、原動力の性質 (圧力や水分勾配など) と木材構造の変化 (Langrish and Walker, 1993) に基づいて、いくつかの種類の経路を通って木材内を液体または蒸気として移動します。これらの経路は、道管の空洞、繊維、放射細胞、ピットチャンバーとそのピット膜開口部、細胞間空間、および一時的な細胞壁の通路で構成されます。

これらの通路では、水の動きはあらゆる方向に起こり、細胞内を縦方向にも、また細胞から細胞へと横方向にも、木材の横方向の乾燥面に達するまで起こります。広葉樹の辺材の縦方向の浸透性が高いのは、一般に導管が存在するためです。横方向の浸透性と横方向の流れは、広葉樹では非常に低いことがよくあります。広葉樹の導管は、前述のように、チロースの存在や、他の樹種では分泌される樹脂や樹脂によってブロックされることがあります。樹皮の脈は、樹木が損傷に対して自然に防御反応を起こす結果として形成されることが多く、ほとんどのユーカリの製材板の表面によく見られます。広葉樹では放射状の繊維の体積率が一般に高いにもかかわらず (通常、木材の体積の 15%)、放射状の流れには特に効果的ではなく、繊維の放射状表面にある穴も接線方向の流れには効果的ではありません (Langrish および Walker、1993)。

木材内の空気と水分が利用できる空間は、木材の密度と多孔度によって異なります。多孔度は、固体内の空隙の体積分率です。多孔度は、木材細胞壁の乾燥体積の 1.2 ～ 4.6% であると報告されています (Siau、1984)。一方、透過性は、毛細管圧力勾配や水分勾配などの何らかの駆動力の影響下で、多孔質固体を介して流体が輸送される容易さの尺度です。固体が透過性であるためには多孔質でなければならないことは明らかですが、必ずしもすべての多孔質体が透過性であるとは限りません。透過性は、空隙が開口部によって相互に接続されている場合にのみ存在します。たとえば、広葉樹は、膜に開口部があり、気管支間にピットがあるために透過性である可能性があります (Keeyら、2000)。これらの膜が閉塞または被覆されている場合、またはピットが吸引されている場合、木材は閉鎖細胞構造を呈し、実質的に不浸透性になる可能性があります。密度は不浸透性の広葉樹にとっても重要です。単位距離あたりに通過する細胞壁材料が多くなり、拡散に対する抵抗が増加するためです (Keeyら、2000 年)。したがって、一般的に、軽い木材は重い木材よりも速く乾燥します。高温での流体の移動は、透過性のある針葉樹の場合、バルクフロー (運動量移動) であることが多いのに対し、不浸透性の広葉樹の場合は拡散が起こります (Siau、1984 年)。これらのメカニズムについては以下で説明します。

さまざまなバージョンの拡散モデルで使用される 3 つの主な駆動力は、水分含有量、水蒸気の分圧、および水の化学ポテンシャルです (Skaar、1988 年、Keeyら、2000 年)。ここでは、浸透性のある針葉樹における水の自由輸送のメカニズムである毛細管現象を含め、これらについて説明します。木材の真空乾燥中の駆動力は、総圧力差です。

毛細管力は自由水の動き（または動きの欠如）を決定します。これは接着と凝集の両方によるものです。接着は水と他の物質間の引力であり、凝集は水中の分子同士の引力です。

木材が乾燥すると、表面から水分が蒸発して毛細管力が生じ、表面下の木材領域にある自由水を引き寄せます。木材に自由水がなくなると、毛細管力は重要ではなくなります。

ここで化学ポテンシャルについて説明するのは、それが木材内の液体および蒸気相の両方で水の移動の真の原動力であるためです (Siau、1984)。物質 1 モルあたりのギブス自由エネルギーは、通常、その物質の化学ポテンシャルとして表されます (Skaar、1933)。繊維飽和点以下の不飽和空気または木材内の水の化学ポテンシャルは、木材の乾燥に影響を与えます。木材内の水の化学ポテンシャルが周囲の空気の水の化学ポテンシャルと等しくなったときに、木材の平衡水分含有量 (前述のように定義) で平衡が起こります。吸着水の化学ポテンシャルは、木材の水分含有量の関数です。したがって、等温条件下では、木材の水分含有量 (表面と中心の間)、より具体的には水分活性の勾配に伴って化学ポテンシャルの勾配が生じます。水分は、その化学ポテンシャルが木材全体で均一になるまで木材全体に再分配され、平衡時に電位勾配がゼロになります (Skaar、1988)。平衡状態を達成しようとする水分の流束は、その化学ポテンシャルの差に比例し、そのポテンシャルの差が作用する経路の長さに反比例すると想定されています (Keey et al.、2000)。

化学ポテンシャルの勾配は、上記の式で説明されているように、水分含有量の勾配と関連しています (Keeyら、2000)。水分含有量の勾配を駆動力として使用する拡散モデルは、Wu (1989) および Doe ら (1994) によってうまく適用されました。水分含有量の勾配に基づく拡散モデルによって予測された水分含有量プロファイル間の一致は、水分含有量が高い場合よりも低い場合の方が優れていますが、この木材の場合、水分含有量が高いときに大幅に異なる水分輸送メカニズムが機能していることを示す証拠はありません。彼らの観察は、水の総濃度によって駆動される輸送プロセスと一致しています。ここでは、水分含有量の勾配がこの種の不浸透性木材を乾燥させる駆動力であるという経験的証拠に基づいて、拡散モデルを使用しています。

表面と中心部の水分含有量の差 (勾配、界面とバルク間の化学ポテンシャルの差) により、拡散によって結合水が細胞壁の小さな通路を通って移動します。毛細管運動と比較すると、拡散はゆっくりとしたプロセスです。拡散は、不浸透性の広葉樹の乾燥に一般的に提案されているメカニズムです (Keeyら、2000 年)。さらに、抽出物が心材の小さな細胞壁の開口部を塞ぐため、水分の移動が遅くなります。これが、同じ乾燥条件下では辺材が心材よりも一般的に速く乾燥する理由です。

木材の縦方向拡散速度と横方向（放射状および接線方向）拡散速度の比は、水分含有量が 5% の場合は約 100、水分含有量が 25% の場合は 2～4 の範囲にあることが報告されています (Langrish および Walker、1993)。放射状拡散は接線方向拡散よりもいくぶん速いです。縦方向拡散が最も速いですが、実用上重要になるのは短い木材を乾燥させた場合のみです。一般に、木材の板は幅や厚さよりもはるかに長いです。たとえば、この研究で使用したグリーンボードの一般的なサイズは、 長さ 6 m、幅 250 mm、厚さ 43 mm でした。板が柾目製材の場合、幅は放射方向、厚さは接線方向になり、平板製材の場合はその逆になります。ほとんどの水分は、乾燥中の横方向の動きによって木材から除去されます。

木材の乾燥で経験する主な困難は、外層が内層よりも急速に乾燥する傾向があることです。内部がまだ飽和している状態で、これらの層が繊維飽和点よりはるかに低い温度で乾燥すると、外層の収縮が内部の湿り気によって制限されるため、応力（乾燥応力と呼ばれる）が生じます（Keeyら、2000 年）。木目に対するこれらの応力が木目に対する強度（繊維間の結合）を超えると、木材組織が破裂し、結果として割れや亀裂が生じます。

乾燥工程における乾燥欠陥の適切な制御は、木材の表面からの水分の蒸発速度と木材の内部からの水分の外部への移動速度のバランスを維持することです。乾燥を制御する方法について次に説明します。木材の乾燥またはシーズニングの最も効果的な方法の 1 つは、木材を積み重ねて窯に入れ、蒸気で乾燥させ、蒸気をゆっくりと放出する窯乾燥です。

外部の乾燥条件 (温度、相対湿度、空気速度) は、乾燥の外部境界条件を制御し、乾燥速度を制御するとともに、内部の水分移動速度にも影響します。乾燥速度は外部の乾燥条件の影響を受けます (Walkerら、1993 年、Keeyら、2000 年)。これについては、次に説明します。

温度

相対湿度が一定に保たれている場合、温度が高いほど乾燥速度は速くなります。温度は、空気の水分保持能力を高め、木材を通じた水分の拡散速度を加速することで、乾燥速度に影響を与えます。

乾燥炉内の実際の温度は乾球温度（通常 Tg で示される）で、これは乾球付きの温度計を挿入して測定される蒸気とガスの混合物の温度です。一方、湿球温度（TW）は、大量の不飽和空気と蒸気の混合物から少量の液体が蒸発したときに達する温度として定義されます。この温度計の温度感知要素は、通常きれいな水の入った容器に入れられた多孔質の織物スリーブ（布）によって湿った状態に保たれます。スリーブの周囲に湿った空気の停滞領域が形成されるのを防ぐには、最低 2 m/s の空気の流れが必要です（Walkerら、1993 年）。空気が湿ったスリーブを通過するため、水が蒸発して湿球温度計を冷却します。乾球温度と湿球温度の差、つまり湿球降下は、標準湿度チャートから相対湿度を決定するために使用されます (Walker他、1993)。乾球温度と湿球温度の差が大きいほど、相対湿度は低くなります。たとえば、乾球温度が 100 °C で湿球温度が 60 °C の場合、湿度チャートから相対湿度は 17% と読み取られます。

相対湿度

空気の相対湿度は、同じ温度と全圧における飽和蒸気圧で割った水蒸気分圧として定義されます (Siau、1984)。温度が一定に保たれている場合、相対湿度が低いほど乾燥速度が速くなります。これは、空気の相対湿度が低下すると表面層の水分含有量が減少するため、木材の水分勾配が大きくなるためです。相対湿度は通常、パーセンテージで表されます。乾燥の場合、相対湿度に関連するもう 1 つの重要なパラメーターは絶対湿度で、これは乾燥空気の単位質量あたりの水蒸気の質量 (乾燥空気 1 kg あたりの水 kg) です。ただし、これは加熱された空気中の水の量によって影響を受けます。

空気循環率

乾燥時間と木材の品質は、空気の速度とその均一な循環によって決まります。温度と相対湿度が一定の場合、木材の表面を空気が急速に循環し、木材から蒸発する水分が急速に除去されると、可能な限り最高の乾燥速度が得られます。ただし、乾燥速度が速いことは必ずしも望ましいわけではなく、特に不浸透性の広葉樹の場合はそうです。乾燥速度が速いと、木材にひび割れや歪みを引き起こす大きな応力が発生する可能性があるためです。ファン速度が非常に遅い場合 (1 m/s 未満)、スタックを通る空気の流れは層流になることが多く、木材表面と移動する空気流との間の熱伝達は特に効率的ではありません (Walker他、1993)。ほとんどの広葉樹の場合のように、内部の水分移動が水分の移動の主な制限である場合、熱伝達の (外部の) 効率が低いことは必ずしも問題ではありません (Pordage および Langrish、1999)。

木材は乾燥のしやすさと乾燥による劣化の傾向に応じて次のように分類されます。

耐火性の高い木材

これらの木材は、最終製品に欠陥、特に割れや裂け目がないようにするには、乾燥に時間がかかり、乾燥が困難です。例としては、アイアンバーク ( Eucalyptus paniculata )、ブラックバット( E. pillularis )、サザンブルーガム( E. globulus )、ブラシボックス( Lophostemon cofertus ) などの高密度の重い構造用木材が挙げられます。最良の結果を得るには、急速な乾燥条件に対して十分な保護と手入れが必要です (Bootle、1994)。

中程度の耐火性木材

これらの木材は、乾燥中に割れや裂けが生じる傾向が中程度です。中程度に急速な乾燥条件 (つまり、最大乾球温度 85 °C を使用可能) であれば、欠陥なく乾燥できます。例としては、シドニー ブルー ガム( E. saligna ) やその他の中密度の木材 (Bootle、1994) があり、これらは家具に適している可能性があります。

非耐火木材

これらの木材は、工業用窯で高温（乾球温度 100 °C 以上）にさらしても、欠陥がなくなるまで急速に乾燥させることができます。急速に乾燥させないと、変色（青い染み）したり、表面にカビが生えたりすることがあります。例としては、Pinus radiataなどの針葉樹や低密度木材が挙げられます。

木材の乾燥速度はいくつかの要因に依存しますが、最も重要なのは温度、木材の寸法、相対湿度です。シンプソンとチェルニッツ^[4]は、これら3つの変数の関数として木材乾燥の簡単なモデルを開発しました。この分析はレッドオークを対象に行われましたが、モデルの定数パラメータを調整することで、この手順はあらゆる木材の種類に適用できます。

簡単に言えば、このモデルは、時間tに対する水分含有量Mの変化率が、木材サンプルが平衡水分含有量からどれだけ離れているかに比例すると仮定しています。平衡水分含有量は、温度Tと相対湿度hの関数です。 ${\displaystyle M_{e}}$

${\displaystyle {\frac {dM}{dt}}=-{\frac {M-M_{e}}{\tau }}}$

ここで、は温度Tと一般的な木材の寸法Lの関数であり、単位は時間です。一般的な木材の寸法は、( ) の最小値にほぼ​​相当します。( ) は、それぞれ半径方向、接線方向、縦方向の寸法で、単位はインチです。縦方向の寸法は 10 で割られます。これは、水が横方向よりも縦方向 (木目に沿って) に約 10 倍速く拡散するためです。上記の式の解は次のとおりです。 ${\displaystyle \tau}$${\displaystyle L_{r},\,L_{t},\,L_{L}/10}$

${\displaystyle {\frac {M-M_{e}}{M_{0}-M_{e}}}=e^{-{\frac {t}{\tau }}}}$

初期の水分含有量はどこにありますか。レッドオーク材の場合、「時間定数」は次のように表現できること がわかりました。${\displaystyle M_{0}}$${\displaystyle \tau }$

${\displaystyle \tau ={\frac {L^{n}}{a+bp_{\text{sat}}(T)}}}$

ここで、a、b、nは定数で、 は温度Tにおける水の飽和蒸気圧です。日数、インチ単位の長さ、mmHg 単位の測定時間に対して、レッドオーク材の定数の値は次のようになりました。 ${\displaystyle p_{\text{sat}}(T)}$${\displaystyle p_{\text{sat}}}$

0.0575です

0.00142です

1.52倍

乾燥時間を求めると次のようになります。

${\displaystyle t=-\tau \,\ln \left({\frac {M-M_{e}}{M_{0}-M_{e}}}\right)={\frac {-L^{n}}{a+bp_{\text{sat}}(T)}}\,\ln \left({\frac {M-M_{e}}{M_{0}-M_{e}}}\right)}$

たとえば、150  °F で、アーデン バックの式を使用すると、水の飽和蒸気圧は約 192 mmHg (25.6 kPa) であることがわかります。1 インチ (25 mm) 厚の赤オークの板を 150  °Fで乾燥させる時間定数は日であり、これは水分含有量を平衡状態からの初期偏差の 1/e = 37% まで下げるのに必要な時間です。相対湿度が 0.50 の場合、ヘイルウッド-ホロビンの式を使用すると、平衡状態の木材の水分含有量は約 7.4% です。木材の水分含有量を 85% から 25% まで下げるのにかかる時間は約 4.5 日です。温度が高いほど乾燥時間は速くなりますが、水分勾配が大きくなるため、木材にかかるストレスも大きくなります。薪の場合、これは問題になりませんが、木工用途では、高い応力により木材が割れて使用できなくなります。25 mm (1インチまたは 4/4 材) のレッドオークで乾燥によるひび割れ (割れ) を最小限に抑えるための通常の乾燥時間は 22 ～ 30 日で、8/4 (50 mm または 2インチ) では 65 ～ 90 日です。 ${\displaystyle \tau =3.03}$    

木材を乾燥させる方法は、大きく分けて 2 つあります。

• 自然乾燥または空気乾燥
• 人工乾燥

空気乾燥とは、木材を空気にさらして乾燥させることです。空気乾燥の技術は、主に、清潔で涼しく乾燥した日陰の場所で、高い基礎の上に製材した木材を積み重ねること（板の層をシールで区切る）から成ります。乾燥の速度は、気候条件と空気の動き（風への露出）に大きく左右されます。空気乾燥を成功させるには、木材の山全体に空気が連続して均一に流れるようにする必要があります（Desch および Dinwoodie、1996 年）。

水分の損失速度は、比較的水分を通さない物質で板をコーティングすることで制御できます。通常の鉱油は通常、非常に効果的です。丸太の端を油または厚い塗料でコーティングすると、乾燥後の品質が向上します。木材にガソリンまたは油を塗布して菌類の感染を防ぐ処理を事前に行っておけば、水分の移動を可能にする素材で板または丸太を包むことは、通常、非常にうまくいきます。鉱油は通常、表面から 1 ～ 2 mm 以上浸透することはなく、木材が適切に乾燥している場合は、かんなで削って簡単に取り除くことができます。

• 利点: この乾燥方法を使用するとコストが削減される可能性があります (木材の保管や、木材を市場に出すまでの時間のかかるプロセスに関連するコストは依然として発生します)。また、空気乾燥では、窯乾燥よりも高品質で加工しやすい木材が生産されることがよくあります。
• 欠点: 気候に応じて、木材を自然乾燥させるのに数か月から数年かかります。

人工乾燥または「オーブン」乾燥のプロセスは、基本的に熱を加えることです。これは、天然ガスや電気を使用して直接行う場合と、蒸気加熱熱交換器を使用して間接的に行う場合があります。太陽エネルギーも選択肢の 1 つです。このプロセスでは、温度、相対湿度、空気循環を意図的に制御することで、さまざまな条件を作り出し、特定の乾燥プロファイルを実現します。これを実現するために、木材は、大気温度、相対湿度、循環速度を制御する装置を備えたチャンバーに積み重ねられます (Walker他、1993 年、Desch および Dinwoodie、1996 年)。

チャンバー乾燥は、不安定な気象条件による制限を克服する手段となります。窯乾燥では、空気乾燥と同様に、不飽和空気が乾燥媒体として使用されます。世界中のほぼすべての商業用木材は、工業用窯で乾燥されています。空気乾燥、従来の窯乾燥、太陽熱乾燥の比較を以下に示します。

1. 木材は、従来の乾燥または太陽熱乾燥炉で任意の低い水分含有量まで乾燥できますが、空気乾燥では、ほとんどの場所で 18% 未満の水分含有量を達成するのは困難です。
2. 従来の窯乾燥では、太陽熱窯乾燥とその後の空気乾燥よりも乾燥時間が大幅に短くなります。
   • つまり、資本支出が伴う場合、空気乾燥を使用すると、この資本がより長い期間放置されることになります。一方、工業用窯の設置、運用、維持には費用がかかります。
   • さらに、空気乾燥中の木材はスペースを占有するため、コストがかかる可能性もあります。
3. 空気乾燥では乾燥条件をほとんど制御できないため、乾燥速度を制御することはできません。
4. 乾燥炉乾燥で使用される温度は、乾燥スケジュールに 60 °C を超える最高乾球温度が使用される場合、通常、木材内のすべての菌類と昆虫を死滅させます。これは空気乾燥では保証されません。
5. 空気乾燥が不適切に行われると（日光にさらされる）、乾燥した夏の間は乾燥速度が速すぎてひび割れや裂け目が生じ、寒い冬の間は乾燥が遅すぎる可能性があります。

従来の窯乾燥の大きな利点には、処理能力の向上と最終水分含有量のより優れた制御があります。従来の窯乾燥と太陽熱乾燥はどちらも、天候条件に関係なく木材を任意の水分含有量まで乾燥できます。ほとんどの大規模な乾燥作業では、太陽熱乾燥と従来の窯乾燥は空気乾燥よりも効率的です。

木材会社では、コンパートメント型乾燥炉が最も一般的に使用されています。コンパートメント型乾燥炉には、空気が循環する静止した木材が詰められています。このタイプの乾燥炉では、木材は静止したままです。乾燥条件は、乾燥する木材の種類に応じて、連続的に変化します。この乾燥方法は、他の樹種よりも割れや裂けが生じやすい難治性の広葉樹を含む、さまざまな樹種や厚さの木材を乾燥させる必要がある木材会社のニーズに適しています。

チャンバー乾燥の主な要素は次のとおりです。

建設資材

炉室は、一般的にレンガ積み、または中空のセメントコンクリート板で造られています。グラスウールやポリウレタンフォームなどの断熱材を挟んだ二重壁構造の金属板やプレハブアルミは、現代の木材オーブンでも使用されている素材です。しかし、内側に石灰と（モルタル）漆喰を塗り、不浸透性のコーティングを施したレンガ積み炉室は広く使用されており、多くの用途に十分であることがわかっています。

加熱

暖房は通常、蒸気熱交換器とさまざまな構成のパイプ（例：平らな管、フィン付き（横方向または縦方向）の管）、または木材燃焼炉からの高温ガスが通過する大きな煙道管によって行われます。暖房に電気やガスが使用されることはまれです。

加湿

加湿は、通常、蒸気噴霧管を通して窯に生蒸気を導入することによって行われます。木材から大量の水分が急速に蒸発しているときに空気の湿度を制限および制御するために、通常、すべてのタイプの窯にはチャンバーの換気装置が備わっています。

空気循環

空気循環は、積載物のすべての部分に熱を運び、すべての部分から湿気を取り除く手段です。最も一般的なのは強制循環窯で、空気はファンまたは送風機によって循環します。ファンまたは送風機は窯室の外側 (外部ファン窯) または内側 (内部ファン窯) に設置できます。

プロセス全体を通じて、水分計システムを使用して水分含有量を厳密に管理し、過剰乾燥を減らし、オペレーターがいつ充填剤を抜くべきかを知ることができるようにする必要があります。この窯内水分計には、自動シャットオフ機能が付いているのが理想的です。

満足のいく窯乾燥は、通常、循環空気の温度と湿度を調節して、木材の水分含有量を任意の時点で制御することで実現できます。この条件は、窯乾燥スケジュールを適用することで実現します。適切なスケジュールの望ましい目的は、木材を可能な限り速く乾燥させ、不快な劣化を起こさないようにすることです。次の要因は、スケジュールに大きく影響します。

種

種間の解剖学的、物理的、および機械的特性の違いは、乾燥時間と全体的な結果に影響します。

木材の厚さ

乾燥時間は木材の厚さと、ある程度は木材の幅に反比例します。

木材の板が柾目製法、平目製法、または混成製法のいずれであるか

切断パターンは収縮異方性による歪みに影響します。

許容される乾燥劣化

急激な乾燥スケジュールは木材の割れや変形を引き起こす可能性があります。

木材の用途

機械的および美的要件により、使用目的に応じて異なる湿度目標が必要になります。

それぞれの要因を考慮すると、たとえ同じ樹種の同様の積荷であっても、必ずしも適切なスケジュールというものはありません。そのため、効果的な乾燥スケジュールの開発に重点を置いた木材乾燥研究が数多く行われています。

除湿室は、換気のないシステム（閉ループ）または部分的に換気されたシステムであり、ヒートポンプを使用して冷却プロセスの冷たい側（蒸発器）を使用して空気から水分を凝縮します。こうして集められた熱は、冷却プロセスの熱い側（凝縮器）に送られ、空気を再加熱して、この乾燥した暖かい空気を窯内に戻します。ファンは、通常の窯と同様に、空気をパイルに吹き込みます。これらの窯は、伝統的に100°Fから160°Fで動作し、従来の窯の約半分のエネルギーを使用します。^[5]

これらの窯は乾燥が最も速く、エネルギーの使用効率も最も高くなります。真空では、水はより低い温度で沸騰します。速度が速くなるだけでなく、真空窯では木材の品質も向上します。

周囲圧力が低いと水の沸点は下がりますが、液体を蒸気に変えるのに必要なエネルギー量は同じです。巨大な建物を暖める必要がなくなり、湿度を下げるときに熱を放出する必要がなくなるため、節約になります。

115 °F 以下ですべての自由水を除去できるため、品質が向上します。

従来の乾燥では、表面から水分をすくい取るために温かく乾燥した空気を使用しますが、真空乾燥機では木材の内部から水分を沸騰させることができます。これにより、優れた真空乾燥機では、非常に厚い木材を非常に速く乾燥できます。製材したばかりの 12/4 レッドオークを 11 日間で 7% まで乾燥することが可能です。

木材は蒸気勾配（蒸気圧対周囲圧力）で乾燥されるため、湿度を非常に高く保つことができます。このため、優れた真空乾燥炉では、製材したばかりの 4.5 インチ厚のホワイトオークを 1 か月以内に 8% まで乾燥できます。これは以前は不可能だと考えられていたことです。

太陽熱乾燥炉は、窯乾燥と空気乾燥を組み合わせたものです。これらの窯は、一般的に高温ファンと通気口または凝縮システムを備えた温室です。太陽熱乾燥炉は、天候によって乾燥速度が遅く変動しますが、コストは低くなります。 ^[5]

流水に浸すと樹液がすぐに除去され、その後木材は自然乾燥されます。「…木材の弾力性と耐久性が低下し、脆くなります。」^[6]しかし、相反する見解もあります。例えば、「この重要な主題について多くの実験を行ったデュアメルは、大工が使用する木材はしばらく水に浸してから乾燥させるのが最善であると述べています。そうすることで、乾燥中に木材が反ったり割れたりする可能性が低くなります。しかし、彼は「強度が求められる場合は、水に浸すべきではない」と付け加えています。」^[7]

沸騰したお湯に浸したり、蒸気を当てたりすると、木材の乾燥が早まります。この方法は収縮が少ないと言われていますが、「…使用には費用がかかり、木材の強度と弾力性が低下します。」^[8]

塩漬けとは、木材を尿素と硝酸ナトリウムの溶液に浸すことで、これらはすべて脱水剤として機能します。その後、木材は自然乾燥されます。^[9]

電気乾燥は木材に電流を流して熱を発生させ、木材を乾燥させる方法です。この方法は高価ですが、早くて品質が均一です。^[9]

凍結乾燥は、木材が入っているチャンバー内の圧力を数ミリバールまで下げ、チャンバーの温度を材料の共晶点以下に下げることで実現します。通常、熱は材料にゆっくりと加えられ、木材に含まれる水分が直接昇華して蒸気になり、真空チャンバーの側面またはチャンバーを真空にするコールド トラップに堆積します。昇華による凍結乾燥には、通常、熱による水の蒸発にかかるエネルギーの約 10 倍かかります。実際には、木材の凍結乾燥は、室温の木材を -30 度 C 以下に冷却できる真空チャンバーに入れ、チャンバーを数ミリバールまで真空にし、同時にチャンバーを氷点まで冷却することで実現できます。木材内の氷の潜熱は水蒸気を通して放出され、チャンバーの内側で氷として凝縮します。真空および凍結状態で数時間経過した後、チャンバーを常圧に戻し、木材を取り出して水分が凝縮しないようにプラスチック袋に入れ、数時間から 1 日かけて室温に戻します。その後、このサイクルが繰り返され、そのたびに木材の潜熱が、木材の水分が昇華および/または蒸発して容器の側面やコールド トラップで凝縮することによって除去されます。木材の水分含有量が事前に設定された許容レベルになるまで、このサイクルが繰り返されます。チャンバー内で木材を循環させる代わりに、木材内の氷が昇華して水蒸気になり、チャンバーの内側またはコールド トラップに堆積する速度と一致する速度で木材に熱を加えることができます。木材を凍結乾燥させる利点は、木材の形状が維持され、通常は収縮が発生しないことです。木材を凍結乾燥させた後、時間の経過とともに収縮が発生しますが、通常は木材に欠陥が発生することはありません。

乾燥欠陥は、節などの自然の問題に次いで、木材の劣化の最も一般的な形態です (Desch および Dinwoodie、1996)。乾燥欠陥には 2 つのタイプがありますが、一部の欠陥は両方の原因に関係しています。

1. 収縮異方性による欠陥で、反り（カップ状、湾曲、ねじれ、曲がり、バネ状、ダイヤモンド状）が発生します。
2. 不均一な乾燥による欠陥で、木材組織の破裂を引き起こします。たとえば、割れ目 (表面、端部、内部)、端部の割れ、蜂の巣状化、表面硬化などです。また、木材表面の波状化、いわゆるウォッシュボード化として現れる崩壊も発生することがあります (Innes、1996)。崩壊は、繊維が繊維飽和点を超えて物理的に平坦化することによって生じる欠陥であり、収縮異方性の一形態ではありません。

オーストラリアとニュージーランドの規格団体 (AS/NZS 4787、2001) は、木材の品質に関する規格を開発しました。乾燥品質の 5 つの基準は次のとおりです。

1. 水分含有量の勾配と残留乾燥応力の存在（表面硬化）
2. 表面、内部、端部のチェック。
3. 崩壊;
4. 歪み;
5. 乾燥による変色。

現在、木材乾燥窯には、従来型、除湿型、太陽光型、真空型、無線周波数型など、さまざまな技術が存在します。

従来の木材乾燥窯 (Rasmussen、1988) は、パッケージ型 (サイドローダー) またはトラック型 (トラム) 構造のいずれかです。ほとんどの広葉樹材用乾燥窯は、フォークリフトを使用して木材パッケージを窯に積み込むサイドローダー型です。ほとんどの針葉樹材用乾燥窯は、木材パッケージを窯/トラック車に積み込んで窯に積み込むトラック型です。

現代の高温、高風速の従来型乾燥炉では、通常、厚さ 1 インチ (25 mm) の生の木材を 10 時間で水分含有量 18% まで乾燥させることができます。ただし、厚さ 1 インチの生のレッドオークは、水分含有量 8% まで乾燥させるのに約 28 日かかります。

熱は通常、オン/オフ空気圧バルブで制御されるフィン/チューブ熱交換器を通過する蒸気によって導入されます。それほど一般的ではありませんが、比例空気圧バルブやさまざまな電気アクチュエータもあります。湿気は通気口システムによって除去されますが、その特定のレイアウトは通常、特定のメーカーに固有です。一般的に、冷たく乾燥した空気が窯の一方の端から導入され、暖かく湿った空気はもう一方の端から排出されます。従来の広葉樹窯では、乾燥サイクル中に窯内の相対湿度が低くなりすぎないようにするために、蒸気スプレーまたは冷水ミストシステムのいずれかによって湿気を導入する必要もあります。ファンの方向は通常、窯に入れた大量の木材を均一に乾燥させるため、定期的に反転されます。

ほとんどの針葉樹材用木材乾燥炉は 115 °C (239 °F) 未満の温度で稼働します。広葉樹材用木材乾燥炉の乾燥スケジュールでは、通常、乾球温度が 80 °C (176 °F) 未満に保たれます。乾燥が難しい樹種では、60 °C (140 °F) を超えない場合があります。

除湿窯は、基本的な構造が従来の窯と非常に似ています。乾燥時間は通常同じです。熱は主に一体型の除湿ユニットによって供給され、湿気の除去も行います。必要な熱が DH ユニットによって生成される熱を超える可能性がある場合は、スケジュールの早い段階で補助熱が提供されることがよくあります。

ソーラー窯は従来の窯で、通常は初期投資コストを抑えるために愛好家が作ります。熱は太陽放射によって供給され、内部の空気循環は通常受動的です。

1949年にシカゴの会社が赤外線ランプを使った木材乾燥窯を導入し、標準的な乾燥時間を14日から45分に短縮したと主張した。^[10]

新しい木材乾燥技術には、乾燥プロセスをスピードアップするために大気圧を下げるという方法が含まれています。真空技術にはさまざまなものがあり、主に木材に熱を導入する方法が異なります。温水平板真空窯は、熱源として内部を循環する水を備えたアルミニウム加熱プレートを使用し、通常、大幅に低い絶対圧力で動作します。不連続および SSV (過熱蒸気) は、大気を使用して窯の充填物に熱を導入します。不連続技術により、窯の充填物全体が完全な大気圧になり、次にチャンバー内の空気が加熱され、最後に真空が引きます。SSV は、真空と従来の窯技術のハイブリッドで、部分的な大気圧 (通常、完全な大気圧の約 1/3) で動作します (SSV 窯は、北米で見つかる種よりも地元で収穫された木材が乾燥しやすいヨーロッパで非常に人気があります)。 RF/V (無線周波数 + 真空) 窯は、窯の充填物を加熱するためにマイクロ波放射を使用します。蒸発熱が地元の化石燃料や廃木材源ではなく電気によって供給されるため、通常は運用コストが最も高くなります。

さまざまな木材乾燥技術の有効な経済研究は、木材繊維から水分を除去する作業にかかる総エネルギー、資本、保険/リスク、環境への影響、労働、保守、および製品劣化コストに基づいています。これらのコスト (工場全体のコストのかなりの部分を占める場合があります) には、特定の工場に乾燥装置が存在するかどうかによる差異的な影響が関係します。この例として、(木材製造工場の) グリーントリマーからプレーナーミルのインフィードシステムまで、すべての装置が「乾燥システム」であるということが挙げられます。世界中には何千もの異なるタイプの木材製品製造工場があり、統合型 (木材、合板、紙など) または独立型 (木材のみ) の場合があります。そのため、乾燥システムの真のコストは、乾燥ありと乾燥なしの工場の総コストとリスクを比較することによってのみ決定できます。

熱源を含め、木材窯から発生する総（有害）大気放出量は相当な量になることがあります。通常、窯の稼働温度が高いほど、排出される量（除去される水 1 ポンドあたり）も大きくなります。これは特に、薄いベニア板の乾燥や針葉樹の高温乾燥で顕著になります。

1910.265(f)(3)(i)(a): 窯に材料を詰めている間、窯の主扉を開いたままにする方法が備えられなければならない。

1910.265(f)(3)(i)(b):垂直リフトドアのカウンターウェイトは箱に入れられるか、または他の方法で保護されなければならない。

1910.265(f)(3)(i)(c): メインドアがキャリアやハンガーから外れているときに、転倒を防止するためにメインドアをしっかりと固定するための適切な手段を備えなければならない。

1910.265(f)(3)(ii)(a): 操作手順により窯にアクセスする必要がある場合、窯には、内側から簡単に操作でき、出口方向に開き、通路の端にあるメインドア内またはその近くに設置される脱出ドアが備え付けられていなければならない。

1910.265(f)(3)(ii)(b): 避難ドアは平均的な体格の男性が入るのに十分な高さと幅を備えていなければならない。

1910.265(f)(4):ピット。ピットは換気、排水、照明が十分に確保され、バルブ、ダンパー、ダンパーロッド、トラップなどの操作装置とともに窯の操作員を安全に収容できる大きさでなければならない。^[11]

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