JPH03501119A - 直接加熱セラミック触媒の支持体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 直接加熱セラミック触媒の支持体 ［発明の分野］ 本発明は一般に触媒に関し、特に再結合するＣＯ２のための触媒すなわち直接加 熱セラミック基体上に付着した貴金属のような触媒材料を含む触媒に関する。

［発明の背景］ ＣＯ２レーザは、二酸化炭素、窒素およびその他の気体の混合気体を通常含む。

レーザ空洞内の電極対の間の放電はＣｏ２のレーザ作用を誘導し、またＣＯ２を Ｃｏと０２に分解する。このＣＯ７の分解はレーザ内のＣＯ２の容積を減少させ 、レーザの出力パワーを徐々に減少し、時間経過後にレーザは完全に故障となる 。

ＣＯ２を補給するために、外部のＣＯ２容器を設けることが知られている。しか しながら軍事用のような幾っがの応用において、そのような外部ガス容器は好ま しくない。

室温または典型的なレーザ動作温度で容易に再結合されない分解されたＣＯおよ び０２を再結合するためにレーザ空洞内に触媒を設けることもまた知られている 。各種の触媒は、ｃ。

および０２からのＣＯ２の再結合を促進することは知られている。そのような触 媒の実例は、約１．０００　’Ｃの温度まで抵抗加熱されるワイヤ状の金属プラ チナである。通常粒状または粉状で与えられるホブカライド（６０％の）ｌｌｎ ｏ２と４０％のＣｕＯおよび微量のその他の酸化物）のベッドを介してレーザガ スをポンプで送ることによってＣＯおよび０□を再結合することもまた知られて いる。しかしながらレーザガスがベッドを介してポンプで送られることが必要と される場合に、著しい圧力ドロップはそのようなホブカライドのベッド内に生じ る可能性がある。またホブカライドはしばしばその活性を維持するように周期的 処理を必要とし、また粉がレーザ空洞の内面を汚染しないように適当に維持され なければならない。

金属プラチナ触媒において所定の時間間隔でＣＯ２を再結合するＣＯ２および０ □分子の数が、分子と接触する触媒の表面積に直接関係し、またはプラチナの温 度に指数的に関係することが知られている。したがって表面領域の増加は、所望 のＣＯ２の再結合率を得るために必要とされる温度の著しい減少となる。

触媒加熱の通常の方法は、レーザガスの上流の加熱および埋設された加熱素子と 触媒構造の直接の熱接触を含む。レーザガスの上流加熱は、その後の熱除去動作 問題、熱伝導の非能率、構造の複雑化の問題、増大された費用のために幾つかの 応用において好ましくない。埋設された加熱素子と触媒構造の直接の熱接触はま た、素子と触媒構造の間の非能率的な熱伝導において欠点を示し、小型の構造内 にこの技術を実現することは困難である。

したがって本発明の目的は、動作温度まで触媒被覆の温度を上げるために抵抗加 熱される導電性セラミック基体上に堆積された触媒材料から成る被覆を使用する 触媒構造を提供することである。

本発明の別の目的は、減少された動作温度または最小の電力の必要量で単位容積 当りの高い触媒活性度を有し、所望された温度まで触媒被覆の温度を上げるため に抵抗加熱された基体を有するＣＯ２レーザ用の触媒を提供することである。

本発明の別の目的は、減少された動作温度または入力電力必要量で単位容積当り 高い触媒活性度を有し、所望された温度まで触媒被覆の温度を上げるために抵抗 加熱されたセラミック基体を有し、さらに所望された温度に被覆を維持するため にそれに結合された温度制御器を具備するＣＯ□レーザ用の触媒を提供すること である。

［発明の概要］ 導電性セラミック基体の表面上に堆積された触媒材料の被覆から成る触媒の構造 によって前述の問題は克服され、およびその他の利点は達成される。本発明の実 施例において、高表面積の形態のプラチナ（プラチナブラック）は導電性セラミ ック基体上に堆積される。基体は電流によって抵抗加熱され、それによりその動 作温度までプラチナ被覆の温度を上げる。ガスは、プラチナブラック被覆によっ て与えられた高プラチナ表面積のために適度な加熱の程度で高い触媒の活動度を 達成する触媒上で流動される。基体は、炭化珪素または酸化錫のような任意の導 電性セラミック材料でよい。

本発明にしたがってセラミック触媒の支持体はまた、支持体の抵抗を注意するこ とによって触媒の被覆の温度を表示するだめの温度感知手段を提供するために使 用されることもできる。温度感知手段はさらに、基体を通る加熱電流の量を制御 するための電流制御手段に接続されることができる。

本発明にしたがって、ＣＯ□を含むガス流を含む手段と、このガス流を含む手段 を介してガスを流動させる手段と、ＣＯ２にレーザ放射を生じさせるためにＣＯ ２を付勢する手段と、ＣＯ２ガスの一部をＣｏと０２に分解する付勢手段とを含 む流動ガスレーザが開示されている。さらにレーザは、ＣＯと０２のＣＯ□への 再結合のため触媒反応を行わせるための直接加熱触媒を含み、触媒はそれに関連 された電気的抵抗を有する導電性セラミック基体と、触媒材料から成り基体に被 覆されてそれに熱結合され予め決定された付勢温度でＣＯと０□のＣＯ２への再 結合の触媒反応を行う被覆とを具備し、触媒はガスの流内に配置され、さらに予 め決定された活性化温度まで被覆を加熱するために基体を抵抗加熱するように基 体に電流を供給する手段を具備する。

さらに本発明にしたがって、所望の形状を有する導電性セラミックを含む基体を 設ける段階と、基体上に触媒の材料から成る被覆を形成する触媒構造を製造する 方法が開示されている。

［図面の簡単な説明］ 第１図は、本発明にしたがった１実施例における導電性セラミック基体の表面上 に配置された貴金属のような触媒材料の層から成る触媒構造を示す。

第２図は、本発明にしたがったＣＯと０２のＣＯ２への再結合を促進する直接加 熱触媒を有するＣＯ□ガス流動流動レーザフロ７２図す。

第３図は、２つのガス流動率に対する第１図にしたがって構成された触媒構造の 酸素再結合率対温度をプロットしたグラフである。

［発明の詳細な説明］ 第１図は、本発明にしたがって構成された触媒の側面図を示す。触媒１０は、Ｃ Ｏと０□のＣＯ２への再結合に触媒として動作する触媒材料から成る被覆１４を 具備するほぼ円形の円筒基体１２から成ると考えることができる。基体１２は炭 化珪素（ＳＩＣ）、酸化錫（Ｓｎ　０２　）または基体が抵抗加熱されることが できる十分な程度の導電性を有する任意の適当なセラミック材料のような導電性 セラミックから成ることが好ましい。

被覆１４は、本発明の好ましい実施例においてプラチナブラックのようなプラチ ナで形成される高表面積の被覆を具備する貴金属のような触媒材料から成る。プ ラチナブラックは、亜鉛またはマグネシウムを含むプラチナ塩の溶液の還元から 通常誘導される金属プラチナの微粉末形状である。一般に、それはブラックパウ ダーの形状を有し、王水に溶け１５．８乃至１７．６　（外見上）の比重を有す る。プラチナブラックの層１４は、基体１２をプラチナブラックの電気鍍金する ための溶液内に浸しその後基体１２に電流を供給することによって基体１２の表 面上に付着されることもできる。電流は基体上にプラチナブラックの電着を生じ る。使用に先立って、触媒構造はヘリウムの気体内に配置されることによって好 ましい状態にされ、構造は約３５０℃の温度まで加熱される。

基体はまた、基体１２を交流または直流のようなヒータ電力源と電気的に接続す るための１対の電気端子１Ｂおよび１８を具備することができる。基体１２に熱 結合され、サーモスタット２０を適当な温度制御器に接続する端子２２および２ ４もまた具備するヒータセンサまたはサーモスタット２０のような熱制御手段を 設けることもまた可能である。

もちろん本発明は、例えばパラジウム（Ｐｄ）の層を堆積することによって基体 上に堆積されたその他の触媒物質によって実行されることが可能である。一般に 、貴金属およびその他の物質を含む任意の触媒物質も、触媒材料が層として堆積 されまたは基体１２上に被覆されることができる限りは使用されることができる 。貴金属でない触媒物質の例としては、マンガン、マグネシウム、ニッケル、お よび銅がある。また被覆は電着とは異なった方法によって形成されることもでき る。

例えば基体１２のセラミック材料は、触媒物質によって含浸されることもできる 。この含浸は、多数の既知の技術によって実行されることができる。例えば初期 のウエットネス技術が使用されることができ、特に多孔性を有する基体の空間が 触媒材料の飽和された溶液で満たされている酸化錫のような比較的多孔性の基体 が使用され、その後液体部分は蒸発される。

沈殿および焼成技術はまた、被覆を形成するために使用されることができる。

基体１２の導電性は、基体が触媒層１４の活性化が達成される温度まで抵抗加熱 されることができるように決定される。例えば基体がプラチナブラックによって 被覆される場合に、約１００℃乃至約３５０℃の範囲内の温度は十分である。

触媒構造１０の全体の形状は、触媒材料の大きい表面積が触媒構造の表面上及び それを通してガスが流動するように設けられるように決定される。理解され得る ように、流動するガス流と接触する触媒の表面積が大きくなると、ＣＯと０□を ＣＯ□に再結合する率も大きくなる。特定の触媒構造の実際の形状および寸法は 典型的な応用に応じ、幅広く変化されることが可能であり、しかも本発明によっ て可能とされる有用な結果を達成する。したがって、第１図に示されている円形 の円筒螺旋形状が本発明にしたがって構成される触媒構造用に適した形状の１つ であることが理解される。

第２図は、ガス導管３１内に含まれるＡで示された矢印で表されるガス流通路内 に配置される第１図の触媒ｌＯを具備する例示的なパルス駆動流動ＣＯ２ガスレ ーザ３０を示している。レーザ３０は、ガス流通路Ａを横切って互いに反対側に 配置され、その間に放電領域を定めている１対の電極３２および３４を具備する 。（＋Ｖおよび接地によって表される）パルス電圧またはその他の形態の放電エ ネルギは放電を誘起する電極に結合され、放電はレーザを発するまで放電領域内 にＣＯ２の流動を生じる。レーザ放射のパルスは、適当な出力結合手段（図示せ ず）によってレーザ３０から結合される。ファン３Ｂのようなガス流手段もまた 、各放電前に放電領域内にガスを補給するのに十分な率でレーザガスを循環させ るために導管３１内に通常配置される。

前述されたように、各放電はＣＯ２のいくらかのものをＣＯと０２に分解する。

Ｃｏと０２が再結合されないならば、レーザパルス電力が徐々に減少し、レーザ は結果として故障する。

それ故触媒１０が設けられ、それによってＣＯと０２ガスは再結合され、所望の パルス電力およびパルス反覆率でレーザ３０の連続する動作を保証する。

本発明にしたがって、基体１２を直接加熱するために触媒ｌＯは端子１６および １８に接続されている電源３８が設けられており、それによって触媒１４は所望 の活性化温度まで加熱される。電源３８は、交流または直流電流源のような所望 の温度で貴金属層１４の温度を上昇しおよび維持するための基体１２の抵抗を介 して十分な電流の流れを供給するのに有用である任意の適当な電源でよい。

所望ならば本発明はまた、所望の温度に層１４の温度を維持するように熱電対４ ０および温度制御器４２のような加熱制御手段を触媒１０および電源３８に結合 するために設けている。温度制御手段は、基体１２を通って流れる電流を増加ま たは減少させる触媒構造の温度の変化に応じるように動作するよく知られている 多数の装置で構成することが可能である。したがって触媒１０上のガス流率の変 化およびレーザパルス率の変化および率に影響を与えるその他のガス温度は、所 望の温度に触媒を維持するために補償されることが可能である。

さらに基体の抵抗が既知の関数によって基体の温度に関係するために、抵抗は基 体の直接の表示、したがって触媒被覆温度として使用されることができる。抵抗 は、電圧対電流の比としてのオームの法則の適用によって決定される。電源３８ の出力電圧対電源によって供給された電流の比は、抵抗および温度を表示する信 号を誘導するよく知られた回路によって決定されることができる。

本発明の直接加熱触媒が連続出力ガス流動レーザとして有利に使用されることも また理解されることができる。本発明はまた、加熱された触媒が分解されたガス を再結合するその他の応用のために使用されることができる。したがって、本発 明はレーザでの使用のみに限定されるものではない。

第３図は、単位時間当り変換された酸素分子の量である酸素消滅率を第１図の触 媒ｌＯの表面温度に対してプロットしたグラフを示す。グラフは、２つの異なっ たガス流動率のデータを示す。２つの曲線と１０．２５．５０　Ｈｚのレーザ動 作の水平の動作線との交点は、連続する動作を達成するための最小の動作温度を 決定する。５３ＣＦ）ｌのより低いガス流動率の約２００℃の酸素消滅率のオフ のレベルは、触媒の位置のための反応体の質量輸送によって負わされた制限に関 すると信じられている。より高い１．０３ＣＦ）ｌの流動率における酸素消滅率 は、所定の応用のためにレーザパルス反復率および触媒活性化温度に関するガス 流動率を実験に基づいて決定することが好ましいことを表す２００℃でレベリン グオフを示さない。

本発明の好ましい実施例が開示されており、多数の修正を本発明の技術的範囲内 で生じることができることは明らかである。例えば、第１図に示されている螺旋 状の構造が適当な１形状でしかないことは理解される。したがって本発明は説明 された好ましい実施例に限定されることはなく、添付の請ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　３ 表面温度　（Ｃ） Ｄ　５５ＣＦＨ＋１０　ＳＣＦＨ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. １．導電性セラミック基体と、 上昇された温度で触媒反応を行うように動作し、上部に付着され前記基体に熱的 に結合される触媒材料から成る被覆であって、この被覆との接触においてガス流 内のＣＯとＯ２をＣＯ２へ結合する被覆と、 前記基体を通る電流が上昇された温度まで前記被覆を加熱するために前記基体を 抵抗加熱するように前記基体が関連した電気抵抗を有するＣＯとＯ２のＣＯ２へ 結合するようにガス流内で触媒反応を行う触媒装置。
2. ２．前記被覆を加熱するために前記基体に電流を供給する手段を具備する請求項 １記載の触媒装置。
3. ３．前記被覆が前記基体の外面上に付着されたプラチナブラックを具備する請求 項１記載の触媒装置。
4. ４．前記基体がＳｉＣおよびＳｎＯ２から成るグループから選択されるセラミッ ク材料で構成され、前記被覆が少なくとも前記基体の外面上に付着された貴金属 を具備する請求項１記載の触媒装置。
5. ５．前記基体が円筒形状であり、前記電流供給手段に前記基体を接続するために それに結合される一対の電気端子を具備する請求項２記載の触媒装置。
6. ６．前記触媒装置が前記被覆の温度を感知するためにそれに熱結合する温度感知 手段を具備し、前記温度感知手段が前記温度に関する大きさの出力信号を有する 請求項２記載の触媒装置。
7. ７．前記触媒装置が、基体の抵抗が決定されるように前記基体に供給される電圧 および電流の大きさを決定する手段を備えた温度感知手段を具備し、抵抗が温度 の関数である請求項１記載の触媒装置。
8. ８．関連する電気抵抗を有する導電性セラミック基体と、触媒材料被覆から成り 前記基体に熱結合され、上昇した温度で触媒反応を行うように動作可能であり、 前記被覆に接触するレーザガス流内でＣＯとＯ２をＣＯ２へ再結合する被覆と、 前記被覆が加熱されるように前記基体を抵抗加熱するために前記基体に電流を供 給する手段とを具備する流動ＣＯ２ガスレーザのＣＯとＯ２のＣＯ２への再結合 のための触媒反応を行うための直接加熱触媒。
9. ９．上昇した温度に前記被覆を維持するために前記基体に供給された電流の量を 制御する手段を具備する請求項８記載の触媒。
10. １０．前記基体がセラミック材料から成り、前記被覆が前記基体の外面上に付着 されたプラチナブラックを具備する請求項８記載の触媒。
11. １１．前記基体がＳｉＣおよびＳｎＯ２から成るグループから選択されるセラミ ック材料を具備し、前記被覆が前記基体の外面上に付着された触媒材料を具備す る請求項８記載の触媒。
12. １２．前記基体がＳｉＣおよびＳｎＯ２から成るグループから選択されたセラミ ック材料から成り、前記被覆がプラチナ、パラジウム、マンガン、マグネシウム 、ニッケル、銅から成るグループから選択された触媒材料を具備する請求項８記 載の触媒。
13. １３．前記基体が円筒形状であり、前記電流供給手段に前記基体を接続するため にそれに結合される一対の電気端子を具備する請求項９記載の触媒。
14. １４．前記触媒が前記基体の温度を感知するためにそれに熱結合された温度感知 手段を具備し、前記温度感知手段が前記温度に関する大きさの出力信号を有する 請求項８記載の触媒。
15. １５．ＣＯ２を含むガス流を収容する手段と、前記収容手段を通して前記ガスを 流動する手段と、ＣＯ２がレーザ放射を行うためにＣＯ２を付勢する手段とを含 み、この付勢手段はＣＯ２ガスの一部をＣＯとＯ２に分解し、前記レーザは、 ＣＯとＯ２からＣＯ２へ再結合させる触媒反応を行わせる直接加熱触媒を具備し 、前記触媒は、 関連する電気抵抗を有する導電性セラミック基体と、触媒材料から成り前記基体 上でそれに熱結合され、ＣＯとＯ２のＣＯ２への再結合の触媒反応を行わせるよ うに動作し、前記ガス流内に配置された被覆と、 前記基体を抵抗加熱するために前記基体に電流を供給する手段とを具備するガス 流動レーザ。
16. １６．前記基体に供給する電流の量を制御する手段を具備する請求項１５記載の レーザ。
17. １７．前記基体がＳｉＣおよびＳｎＯ２から成るグルーブから選択されるセラミ ック材料を具備し、前記被覆が前記基体の外面上に付着されたプラチナブラック を具備する請求項１５記載のレーザ。
18. １８．前記基体がＳｉＣおよびＳｎＯ２から成るグループから選択されるセラミ ック材料を具備し、前記被覆が前記基体の外面上に付着されたパラジウムを具備 する請求項１５記載のレーザ。
19. １９．前記基体がＳｉＣおよびＳｎＯ２から成るグループから選択されるセラミ ック材料を具備し、前記被覆がプラチナ、パラジウム、マンガン、マグネシウム 、ニッケル、銅から成るグループから選択された触媒材料を具備する請求項１５ 記載のレーザ。
20. ２０．前記触媒がその温度を感知するためにそれに熱結合された温度感知手段を 具備し、前記温度感知手段が前記温度に関する大きさの出力信号を有する請求項 １６記載のレーザ。
21. ２１．ＣＯ２を含むガス流を収容し、 収容手段を通してガスを流動させ、 ＣＯ２によりレーザ放射を行わさせるためにＣＯ２を付勢する段階を含み、付勢 段階でＣＯ２の一部がＣＯとＯ２に分解し、ＣＯとＯ２からＣＯ２への再結合の 触媒反応を行うため触媒を直接加熱する段階を含み、 この触媒を直接加熱する段階は、 関連する電気抵抗を有する導電性セラミック基体を設け、前記基体は基体に熱結 合された触媒材料によって被覆されおよび被覆はＣＯとＯ２のＣＯ２への再結合 の触媒反応を行い、触媒はガス流内に配置され、 被覆の温度を上昇するために基体を抵抗加熱するために基体に電流を供給する段 階を含むガス流動レーザを動作する方法。
22. ２２．上昇した温度に被覆を維持するために基体に供給される電流の量を制御す る段階を含む請求項２１記載の方法。
23. ２３．基体を設ける段階が、ＳｉＣおよびＳｎＯ２から成るグループから選択さ れるセラミック材料で構成される基体を設ける請求項２１記載の方法。
24. ２４．導電性セラミック材料から成る基体を設け、上昇した温度でＣＯとＯ２か らＣＯ２への再結合の触媒反応を行う材料から成る被覆を少なくとも基体の外面 上に形成する段階を含む触媒構造の製造方法。
25. ２５．被覆を形成する段階が電着技術によって実施される請求項２４記載の方法 。
26. ２６．被覆を形成する段階が初期のウエットネズ技術によって実施される請求項 ２４記載の方法。
27. ２７．被覆を形成する段階が沈殿および焼成技術によって実施される請求項２４ 記載の方法。
28. ２８．予め決定された温度まで触媒構造を加熱することによって触媒構造を調整 し、実質上ヘリウムから成る雰囲気内に触媒構造を維持する段階を含む請求項２ ４記載の方法。
29. ２９．基体を設ける段階が、炭化珪素または酸化錫を含む基体を設けることによ って実施される請求項２４記載の方法。
30. ３０．被覆がプラチナブラック、パラジウム、マンガン、マグネシウム、ニッケ ル、または銅を含む請求項２４記載の方法。