DE102011007527A1

DE102011007527A1 - Hochdruck-NMR-Messzelle

Info

Publication number: DE102011007527A1
Application number: DE201110007527
Authority: DE
Inventors: PhD Walther Guido; Dr. Köckritz Angela; Dr. Martin Andreas; Detlef Selent PhD
Original assignee: LEIBNIZ INST fur KATALYSE E V AN DER UNI ROSTOCK; Leibniz-Institut fur Katalyse Ev An Der Universitat Rostock
Current assignee: LEIBNIZ INST fur KATALYSE E V AN DER UNI ROSTOCK; Leibniz-Institut fur Katalyse Ev An Der Universitat Rostock
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-04-16
Also published as: DE102011007527B4

Abstract

Die Erfindung ermöglicht mit einer hohen Kompatibilität das Anschließen von bestehenden Peripheriegeräten an Hochdruck-NMR-Probenröhrchen, welche in zunehmendem Maße zur in-situ Untersuchung von Flüssigphasenreaktionen unter Druck mittels Kernspinresonanz(NMR)-Spektroskopie Verwendung finden. Die Hochdruck-NMR-Messzelle besteht aus einem ein hochdruck-taugliches NMR-Probenröhrchen 10 selbstsichernd haltenden Überwurfflansch 20, einem O-Ring 30 und einem Adapterflansch 40, inklusive Schrauben 41. Abweichend zu gewöhnlichen NMR-Probenröhrchen ist ein zu verwendendes hochdruck-taugliches NMR-Probenröhrchen 10 aus Saphir oder Polyetheretherketon gefertigt und verfügt über einen Kragen 11. Die Erfindung ist einfach handhabbar und in hohem Maße kompatibel zu bestehenden Peripheriegeräten. Die Messzelle ist kompakt und ermöglicht einen Einsatz in NMR-Spektrometern verschiedener Hersteller ohne Austausch von NMR-Probenköpfen standardmäßiger NMR-Magneten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-NMR-Messzelle, die für die Aufnahme für gängige, handelsübliche Kernspinresonanz(NMR)-Spektrometer ausgelegt ist.
Verschiedene Mechanismen zum Verschließen von oder Anflanschen von Peripheriegeräten an hochdruck-taugliche Probenröhrchen für die NMR-Spektroskopie sind bereits bekannt.
Die NMR-Spektroskopie ist eine wirkungsvolle Methode zur Strukturanalyse chemischer Verbindungen, bei welcher die zu untersuchende Proben in einem starken statischen Magnetfeld elektromagnetischen Pulsen ausgesetzt werden. Das elektromagnetische Responsesignal der Probe wird vermessen.
Zu untersuchende Substanzen werden gewöhnlich in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, hier als Proben bezeichnet, und in flüssiger Phase in NMR-Probenröhrchen aus Glas oder Kunststoff eingefüllt. Für NMR-spektroskopische Untersuchungen unter hohem Druck werden gewöhnlich Hochdruck-NMR-Probenröhrchen aus Saphir eingesetzt, wie von D. C. Roe im J. Magn. Reson. 63 (1985) 388 beschrieben. Eine Weiterentwicklung dieser Hochdruck-NMR-Messzelle betrifft eine konstruktive Veränderung des Verschlussflansches, wie aus der DE 10333143 B4 bekannt, welche das kontinuierliche Nachdosieren von gasförmigen Reaktanden für in-situ Untersuchungen von dynamischen Prozesse, wie etwa in der Katalyse, ermöglicht.
Die aus J. Magn. Reson. 63 (1985) 388 bekannte Hochdruck-NMR-Messzelle basiert auf einer mit einkomponentigem Epoxidharz verleimten Verbindung zwischen dem aus Saphir gefertigten, durchgehend zylinderförmigen und hochdrucktauglichen NMR-Probenröhrchen und einem aus Titan gefertigtem Montageflansch. Durch Alterungsprozesse des Epoxidharzes können etwa bei Hochdruck-NMR-spektroskopischen Untersuchungen unter sehr hohem Druck Kräfte auf das Epoxidharz einwirken, denen eine nicht mehr ausreichende Gegenkraft aufgebracht werden kann; das NMR-Probenröhrchen kann zum Geschoß werden und den Probenkopf eines NMR-Spektrometers zerstören.
Ein aus der US 6362624 B1 bekanntes System betrifft eine selbstdichtende Hochdruck-NMR-Messzelle, dessen Verschlusskörper auf eine Epoxidharzverbindung zwischen einem aus Saphir gefertigtem hochdrucktauglichen NMR-Probenröhrchen und einem aus Titan gefertigtem Montageflansch verzichtet, jedoch größenbedingt eine erhebliche, sich bei NMR-spektroskopischen Untersuchungen nachteilig auswirkende Masse besitzt. Das System wurde mit der Maßgabe entwickelt, bei Drücken bis zu p = 1 kilobar NMR-Spektroskopie betreiben zu können. Dieses System wurde in der US 6486672 B1 weiterentwickelt durch einen Adapterflansch, der über zwei Ein-/Auslässe verfügt.
Ein aus der JP 3886677 B2 bekanntes System beschreibt eine Hochdruck-NMR-Messzelle, welche mit einem Druck bis zu mehreren Hundert bar beansprucht werden kann. Dieses mehrteilige, sehr komplexe Verschlusssystem zeichnet sich gleichermaßen durch einen selbstsichernden Mechanismus aus.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruck-NMR-Messzelle vorzustellen mit einem selbstsichernd selbstdichtenden Flanschsystem und einer exzellenten Abdichtung zwischen Flanschsystem und Hochdruck-NMR-Probenröhrchen. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Hochdruck-NMR-Messzelle, die multi-funktional einsetzbar ist sowohl in Bezug auf anschließbare Peripheriegeräte als auch im Hinblick auf unterschiedliche Standards verschiedener Hersteller von NMR-Spektrometern. Weiterhin ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im Leichtbau ein Flanschsystem für eine Hochdruck-NMR-Messzelle derart zu fertigen, dass nebst der Benutzerfreundlichkeit für den Anwender auch eine einfache Herstellung möglich ist.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruck-NMR-Messzelle, bei der ein hochdrucktaugliches NMR-Probenröhrchen mit Kragen selbstsichernd in einen Überwurfflansch eingesetzt wird, welcher durch das Verschrauben mit einem Adapterflansch eine selbstdichtende Hochdruck-NMR-Messzelle ausbildet.
Erfindungsgemäß ist die Hochdruck-NMR-Messzelle dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zylinderförmigen Überwurfflansch aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, einem dann gehaltenen Probenröhrchen aus Saphir oder Polyetheretherketon, einen über dem Überwurfflansch angeordneten zylinderförmigen Adapterflansch aus einem nichtmagnetischen Werkstoff und einen zwischen den beiden Flanschen angeordneten, abdichtenden O-Ring umfaßt, wobei
der Überwurfflansch eine zentrale axiale Innenbohrung aufweist zur Aufnahme des Probenröhrchens und eine zweite größere zentrierte axiale Innenbohrung oder Senkung aufweist zur Aufnahme eines die Wandung des Probenröhrchens überragenden Kragens des Probenröhrchens, und wobei
der zylinderförmige Adapterflansch in T-Form ausgebildet und mit dem größeren Durchmesser dem Probenröhrchen zugewandt ist und eine zentrierte axiale Innenbohrung aufweist, die gleich oder größer als der Außendurchmesser des Probenröhrchens ist, und wobei
im Außenrand des Adapterflansches wenigstens vier Durchgangsbohrlöcher rotationssymmetrisch angeordnet sind, durch die Schrauben in die kongruent zu den Durchgangsbohrlöchern angeordnete Gewindebohrlöcher des Überwurfflansches eingreifen,
und wobei der O-Ring, der in einer konzentrischen, radial umlaufenden Nut an der Unterseite des Adapterflansches fixiert ist, auf dem Kragen des Probenröhrchens dichtend aufliegt.
Der Kragen des Probenröhrchens ist somit ein sehr wesentliches Merkmal der Erfindung sowohl für den Dichtungseffekt als auch die vorteilhafte Einpassung in die Senkung des Überwurfflansches und damit die Selbstsicherung des Systems.
Besonders bevorzugt sind Probenröhrchen aus Saphir.
Ein besonderes Merkmal des Überwurfflansches besteht darin, dass die Senkung für den Kragen des NMR-Probenröhrchens in axialer Richtung wenige zehntel Millimeter tiefer ist als der Kragen dick ist, damit bei zu kräftigem Festschrauben der Flansche das Saphirmaterial weniger stark mechanisch beansprucht und eine Bruchgefahr vermieden wird.
Ebenso ist auch die zentrierte axiale Innenbohrung des Überwurfflansches wenige Zehntel Millimeter größer als der Außendurchmesser des Probenröhrchens.
„Wenige Zehntel Millimeter” im Sinne der Erfindung bedeutet 0,1 bis 0,6 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 mm.
Die innen liegende Dichtung der erfindungsgemäßen Hochdruck-NMR-Messzelle dichtet zwischen dem NMR-Probenröhrchen und dem Adapterflansch über den O-Ring derart, dass keine weitere Dichtung erforderlich ist. Weiterhin dient die Dichtung der Dämpfung von Krafteinwirkungen bei der Montage und zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen.
Allgemein gilt für das Zusammenwirken von Kragenhöhe (h₁) des Probenröhrchens und Senkung (h₂) des Überwurfflansches einerseits sowie Höhe (h₃) des O-Ringes und Tiefe (h₄) der Nut im Adapterflansch die Beziehung h₃ – h₄– dh₃ > h₂ – h₁ ≥ 0 wobei h die Höhe oder Tiefe ist, und dh ist die zusammenpreßbare Dicke des O-Ringes. Dabei liegt „> 0” im Bereich von einigen Zehntel Millimetern speziell 0,4–0,8 mm. Dieser Bereich ist bevorzugt.
Die erfindungsgemäße Hochdruck-NMR-Messzelle ist typischerweise so kompakt ausgebildet, dass eine Aufnahme dieser in serienmäßigen NMR-Probenköpfen bzw. in einem standardmäßigen NMR-Magneten mit 52 mm Bohrung ermöglicht wird. Hiermit, und durch die Verwendung von nicht-magnetischem Material zur Herstellung des Flanschsystems, wie etwa Titan, geht ein sich begünstigend auf die schnelle Rotation der zu untersuchenden Probe während der NMR-Spektroskopie auswirkende Eigenschaft einher.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Adapterflansches derart vorgesehen, dass Peripheriegeräte der unterschiedlichsten Art anwenderfreundlich angeschlossen werden können, indem verschiedene Innengewinde für den Adapterflansch ausgeführt werden.
Durch die Erfindung werden bisherigen Beeinträchtigungen, wie etwa der Alterungsprozeß des Epoxidharzes, eine große, bei der NMR-spektroskopischen Untersuchung die Rotation der Probe beeinträchtigende Masse und eine komplizierte Montage aufgehoben.
Neben Probenröhrchen aus Saphir können auch solche aus Polyetheretherketon (PEEK) eingesetzt werden, die den Hochdruckanforderungen genügen. Dabei ist die höhere Elastizität von PEEK zu beachten.
Besonders bevorzugt ist eine axiale Ausrichtung einer erfindungsgemäßen Hochdruck-NMR-Messzelle, deren radiale Ebene einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Diese Form birgt eine homogene Massenverteilung, welche sich begünstigend auf die schnelle Rotation während der NMR-spektroskopischen Untersuchung auswirkt. Zur Vermeidung von Inhomogenitäten, wie etwa durch die Schrauben gegeben, welche den Adapterflansch mit dem Überwurfflansch fest verbinden, werden in hoher radialer Symmetrie bevorzugt 4, besonders bevorzugt 6 Schrauben verwendet.
Im Hinblick auf das Magnetfeld des NMR-Spektrometers sieht eine bevorzugte Ausführungsform vor, dass das erfindungsgemäßen Flanschsystem aus einem Metall oder einer Metall-Legierung gefertigt ist, die ein magnetische Feld nicht beeinflusst. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht Titan vor, da daraus auch ein besonders leichtes Flanschsystem von einer Masse m ≤ 34 g gefertigt werden kann. Auch Titanlegierungen wie z. B. 6Al-4V-Titan sind bevorzugt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Adapterflansches, welcher ein Teil der erfindungsgemäßen Hochdruck-NMR-Messzelle ist, sieht vor, dass eine zentrierte, axiale Innenbohrung einen Durchmesser größer oder gleich dem des Außendurchmessers des NMR-Probenröhrchens aufweist. Der Adapterflansch weist zur Gewichtsersparnis vorzugsweise einen verjüngten Außendurchmesser auf; für eine Rohrleitungsverschraubung ist vorzugsweise ein standardisiertes NPT-Innengewinde vorgesehen, z. B. 1/8'' NPT. Für eine in dem Adapterflansch innen liegende Dichtung ist bevorzugt eine konzentrisch zu der axialen Innenbohrung angeordnete Nut auf der dem NMR-Probenröhrchen zugewandten Seite vorgesehen.
In weiteren alternativen Ausführungsformen zur der obigen, in welcher ein NPT-Innengewinde vorgesehen ist (NPT nach ANSI/ASME B 1.20.1 – 1983), weist das verjüngte obere Teilstück des erfindungsgemäßen Adapterflansches andere Gewindearten zu entsprechenden Verschraubungen auf. Diese können nach der Art eines ISO-Gewindes (RT), eines ISO/BSP (JIS)-Gewindes, eines SAE/MS-Gewindes, einer AN- oder einer Schottverschraubung, einer Schneidring-Verschraubung, eines UNF-Gewindes, einer VCR- oder einer VCO-Verschraubungen ausgeführt sein.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform des Überwurfflansches, welcher ein Teil der erfindungsgemäßen Hochdruck-NMR-Messzelle ist, bei dem eine zentrierte axiale Innenbohrung eines Durchmessers von wenigen zehntel Millimetern größer als der Außendurchmesser des NMR-Probenröhrchens, eine axiale Führung des NMR-Probenröhrchens gewährleistet und eine Senkung auf der Oberseite zur Aufnahme des Kragens des NMR-Probenröhrchens. Damit das Probenröhrchen keinen Schaden an scharfen Kanten nimmt, ist entlang der konzentrischen Kante zwischen der Senkung und der Innenbohrung ein Radius vorgesehen. Überdies vereinfacht der Radius das Einführen des NMR-Probenröhrchens in den Überwurfflansch. Es ist vorteilhaft, die Senkung tiefer zu dimensionieren als der Kragen dick ist, um bei zu kräftigem Festschrauben der Flansche das Material des NMR-Probenröhrchens weniger stark mechanisch zu beanspruchen und eine Bruchgefahr zu vermeiden.
Bevorzugt liegt die Ausführungsform dieser Differenz bei wenigen zehntel Millimetern, z. B. 0,2–0,4 mm.
Alternativ zu dem oben beschriebenen Radius entlang der konzentrischen Kante zwischen der Senkung und der Innenbohrung ist auch eine Fase eine bevorzugte Ausführungsform des Überwurfflansches. Auch diese Alternative vereinfacht das Einführen des NMR-Probenröhrchens in den Überwurfflansch.
Das NMR-Probenröhrchen verfügt an der Einfüllöffnung über einen Kragen. Die Stabilität des Kragens gegen ein Wegbrechen an der Kante wird erhöht, indem diese Kante einen Radius aufweist. Derartige hochdrucktaugliche NMR-Probenröhrchen sind bevorzugt aus Saphir gefertigt.
Unter „Hochdruck” im Sinne der Erfindung wird ein Druck von wenigstens 200 bar verstanden, vorzugsweise ein Druck von wenigstens 300 bar, insbesondere 320 bis 400 bar. Dabei ist der Druck nicht nur vom Material des Röhrchens abhängig, sondern auch von dessen Wandstärke. Diese liegt vorteilhaft im Bereich von 1,0 bis 3,0 mm, für die Anwendung in einer Gaszirkulationsapparatur, vorzugsweise 1,3 bis 1,6 mm.
Weitere Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt und erläutert. Darin bedeuten
1 Schematischer Querschnitt durch die Hochdruck-NMR-Messzelle der Erfindung
2 Detailansicht des Überwurfflansches
3 Detailansicht der Dichtungszone der Messzelle
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Hochdruck-NMR-Messzelle mit einem erfindungsgemäßem mehrteiligen Flanschsystem und einem darin gehaltenen Hochdruck-NMR-Probenröhrchen.
Insgesamt ist die Hochdruck-NMR-Messzelle dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zylinderförmigen Überwurfflansch 20 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, einem darin gehaltenen Probenröhrchen 10 aus Saphir oder Polyetheretherketon, einen über dem Überwurfflansch 20 angeordneten zylinderförmigen Adapterflansch 40 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff und einen zwischen den beiden Flanschen 20; 40 angeordneten, abdichtenden O-Ring umfaßt, wobei
der Überwurfflansch 20 eine zentrale axiale Innenbohrung 23 aufweist zur Aufnahme des Probenröhrchens 10 und eine zweite größere zentrierte axiale Innenbohrung oder Senkung 21 aufweist zur Aufnahme eines die Wandung 15 des Probenröhrchens 10 überragenden Kragens 11 des Probenröhrchens 10,
der zylinderförmige Adapterflansch 40 in T-Form ausgebildet und mit dem größeren Durchmesser dem Probenröhrchen 10 zugewandt ist und eine zentrierte axiale Innenbohrung 44 aufweist, die gleich oder größer als der Außendurchmesser des Probenröhrchens 10 ist,
im Außenrand des Adapterflansches 40 wenigstens vier Durchgangsbohrlöcher 43 rotationssymmetrisch angeordnet sind, durch die Schrauben 41 in die kongruent zu den Durchgangsbohrlöchern angeordnete Gewindebohrlöcher 24 des Überwurfflansches 20 eingreifen,
und wobei der O-Ring 30, der in einer konzentrischen, radial umlaufenden Nut 45 an der Unterseite 48 des Adapterflansches 40 fixiert ist, auf dem Kragen 11 des Probenröhrchens 10 dichtend aufliegt.
Das im Wesentlichen rotationssymmetrische Flanschsystem besteht aus drei Teilen: dem Überwurfflansch 20 für das dann zu haltende und abzudichtende Hochdruck-NMR-Probenröhrchen 10, dem Adapterflansch 40 und dem O-Ring 30. Der Außendurchmesser der erfindungsgemäßen Hochdruck-NMR-Messzelle ist zwangsläufig auf eine Größe kleiner oder gleich dem Innendurchmesser serienmäßiger NMR-Probenköpfe bzw. dem Innendurchmesser des Probeneinführungskanals standardmäßiger NMR-Magneten von NMR-Spektrometern gegeben. Diese liegt bei den am häufigsten verbreiteten Spektrometern allgemein bei 25,4 mm (1 inch).
Das hochdrucktaugliche NMR-Probenröhrchen 10 weist gewöhnlich einen Außendurchmesser von 10 mm auf und verfügt erfindungsgemäß über einen Kragen 11 an dem Ende der Einfüllöffnung. Der Kragen 11 weist eine typische Dicke von 3 mm auf und ist zu der Außenwand des Hochdruck-NMR-Probenröhrchens 10 durch einen radial außen liegenden Radius verstärkt. Der Kragen 11 erhöht den üblichen Außendurchmesser von 10 mm auf ca. 13 bis 16 mm, vorzugsweise 14 bis 15 mm.
Ein zu einem Hochdruck-NMR-Probenröhrchen 10 passender Überwurfflansch 20 ist ein kreiszylinderförmiger Titankörper mit einer Innenbohrung 23 und ist von einer Minimaldicke, welche sich aus der minimal notwendigen Anzahl der Gewindegänge 24 zum Verschrauben des Adapterflansches 40 für eine sichere Flanschverbindung zwangsweise ergibt. Die Innenbohrung 23 ist ein zentrierter, axial kreiszylinderförmig ausgebildeter Innenraum, welcher als axialer Zentrierkörper für das Hochdruck-NMR-Probenröhrchen 10 und als Halterung für den Kragen 11 formgebend und damit zwangsweise durch das Hochdruck-NMR-Probenröhrchen 10 dimensionsbestimmt ist.
Der erfindungsgemäße Überwurfflansch 20 weist auf der Oberseite eine Senkung 21, nämlich einen verbreiterten, zentrierten, axial kreiszylinderförmig ausgebildeten Innenraum auf, welche eine radiale, plane Ebene als Auflagefläche des Kragens 11 besitzt und damit Druckkräfte optimal von dem Hochdruck-NMR-Probenröhrchen 10 auf den Überwurfflansch 20 überträgt. Der Innendurchmesser der Senkung 21 ergibt sich zwangsläufig aus der Dicke des Kragens 11 eines Hochdruck-NMR-Probenröhrchens 10 und ist typischerweise wenige Zehntel Millimeter tiefer gesenkt.
Gemäß 2 ist der Radius 22 eine abgerundete Formgebung der konzentrischen Kante zwischen der Senkung 21 und der Innenbohrung 23. Dieser ermöglicht einen besseren Formschluß des Kragens 11 und damit eine verbesserte Kraftübertragung von dem Hochdruck-NMR-Probenröhrchen 10 auf den Überwurfflansch 20. Daraus ergehen die Vorteile, dass das Einführen des Hochdruck-NMR-Probenröhrchens 10 in den Überwurfflansch 20 erleichtert wird und überdies bei zu kräftigem Festschrauben des Überwurfflansches 20 mit dem Adapterflansch 40 das Saphir weniger stark mechanisch beansprucht und eine Bruchgefahr vermieden wird.
Zur Montage der Flanschverbindung von dem Überwurfflansch 20 mit dem Adapterflansch 40 weist der Überwurfflansch 20 in konzentrisch, äquidistanten Bogensegmenten angeordnete Gewindebohrlöcher 24 auf, in welche die Schrauben, insbesondere Titanschrauben 41, durchgesteckt durch die Durchgangsbohrlöcher 43 des Adapterflansches 40, fest verschraubt werden. Die Durchgangsbohrlöcher 43 des Adapterflansches 40 sind in kongruenter Anordnung zu den Gewindebohrlöchern 24 ausgebildet. Die hochsymmetrische Anordnung von insbesondere sechs Gewindebohrlöchern 24 gewährleistet eine bessere Homogenität der Massenverteilung des erfindungsgemäßen Flanschsystems und begünstigt damit die Rotationseigenschaften, welche von Bedeutung sind, wenn während einer NMR-spektroskopischen Untersuchung die Probe gyriert.
Der Adapterflansch 40 ist ein kreiszylinderförmiger Titankörper mit zwei verschiedenen Außenradien; einem Radius an der Unterseite, der dem Radius des Überwurfflansches 20 gleicht, und einem deutlich verjüngten Radius im oberen Teilstück, wodurch eine wesentliche Gewichtsersparnis des Bauteiles erreicht wird. Dies vermeidet zusätzliche Masseninhomogenitäten bei der Rotation der Messzelle.
Der Adapterflansch 40 weist eine Innenbohrung 44, nämlich einen zentrierten, axial kreiszylinderförmig ausgebildeten Innenraum auf, welcher als Zugangskanal zur Einfüllöffnung eines angeschlossenen Hochdruck-NMR-Probenröhrchens 10 ausgeführt ist. Typische Innendurchmesser der Innenbohrung 44 im Rahmen dieser Erfindung sind größer oder gleich dem Außendurchmesser des Hochdruck-NMR-Probenröhrchens 10. An der Unterseite des Adapterflansches 40 ist außerdem eine konzentrisch angeordnete radial umlaufende Nut 45 ausgebildet, die zur Fixierung der einzigen Dichtung, einem O-Ring 30, vorgesehen ist. Diese erfindungsgemäße Ausführung des Adapterflansches 40 trägt maßgeblich zu der Eigenschaft der selbstdichtenden Hochdruck-NMR-Messzelle (1) bei. Die Tiefe der Nut 45 ist abhängig von der Fadendicke des dichtenden O-Rings 30 und ist bekannterweise tabelliert, und Vorpreßdrücke sind ebenfalls bekannt.
Das verjüngte obere Teilstück des erfindungsgemäßen Adapterflansches 40 weist in der in 1 gezeigten Ausführungsform eine Innenbohrung 42 mit einem Innengewinde 47 auf, das beispielsweise ein NPT-Innengewinde 42 ist. Dieses ist zentriert und axial kreiskegelig ausgebildet und verfügt mit maximal möglicher Querschnittsfläche über eine Verbindung zu der Innenbohrung 44. Diese Anordnung ermöglicht das vertikale Aufsetzen von handelsüblichen Hochdruck-Entlüftungsventilen sowie bekannten Gaseinleitungs- und zirkulationsvorrichtungen für in-situ Untersuchungen und von UV-vis Sonden. Letzteres Peripheriegerät ermöglicht sogar Operando-Spektroskopie. Seitlich aufgesetzte Zuführungseinrichtungen wie bei der Messzelle gemäß J. of Magn. Res. 63, S. 389 Fig. 1 werden dadurch vermieden und damit mögliche Unwuchten bei der Rotation der Messzelle.
Der O-Ring 30 weist im montierten Zustand eine elastische Verformung auf, die die Abdichtung des Probenröhrchens 10 zum Adapterflansch 40 begünstigt.
Die Tiefe der Nut 45 ist von der Fadendicke (Höhe) des O-Ringes 30 abhängig. Die Nut trägt entscheidend dazu bei, daß das System selbstsichernd ist.
Zur Montage der erfindungsgemäßen Hochdruck-NMR-Messzelle ist das NMR-Probenröhrchen 10 mit dem geschlossenen Ende voran durch den mit der Senkung 21 voran gerichteten Überwurfflansch 20 zu schieben. Der Adapterflansch 40 mit bereits angeschlossenem Peripheriegerät und innen liegendem O-Ring 30 wird mit dem Überwurfflansch 20 selbstdichtend mit Titanschrauben 41 verschraubt.
3 stellt die Dichtungszone in einer detaillierten Ansicht dar. h ist die entsprechende Höhe des Teiles der Messzelle, und die tiefgestellten Indizes entsprechend dem jeweiligen Bezugszeichen des Teils. d ist der Durchmesser.
Für den Durchmesser des Probenröhrchens 10 und der Innenbohrung 23 gilt d₂₃ > d₁₀.
Für die Höhe der Senkung 21 und des Kragens 11 gilt h₂₁ > h₁₁.
Für das Zusammenwirken von Kragenhöhe h₁₁ des Kragens 11 vom Probierröhrchen 10 und Höhe h₂₁ der Senkung 21 vom Überwurfflansch 20 einerseits sowie Höhe h₃₀ des O-Ringes 30 und Tiefe h₄₅ der Nut 45 im Adapterflansch 40 andererseits gilt die Beziehung h₃₀ – h₄₅ – dh₃₀ > h₂₁ – h₁₁ ≥ 0 wobei dh die zusammenpreßbare Dicke des O-Ringes ist.
Vorteilhaft gilt h₄₅ < h₃₀.
In der zeichnerischen Darstellung ist der Abstand zwischen Kragen des Röhrchens und dem Überwurfflansch aus Klarheitsgründen bewusst größer gewählt.
Zusammenfassend zeigt die Erfindung folgende Vorteile

– hochdrucktaugliche und selbstsichernde NMR-Messzelle
– multifunktionelle Einsetzbarkeit durch Möglichkeit des Anschlusses diverser Peripheriegeräte und Verwendbarkeit marktüblicher NMR-Spektrometer verschiedener Hersteller
– geringe Masse und homogene Massenverteilung
– Vermeidung von Klebekontakten mit Epoxidharz und damit Vermeidung der Bruchgefahr
– einfacher Aufbau und damit benutzerfreundlich unter Vermeidung komplizierter Montageschritte

Bezugszeichenliste

10: Hochdruck-NMR-Probenröhrchen
11: Kragen
15: Wandung
20: Überwurfflansch
21: Senkung
22: Radius, Fase
23: Innenbohrung
24: Gewindebohrlöcher
30: O-Ring
40: Adapterflansch
41: Schrauben
42: Innenbohrung
43: Durchgangslöcher
44: Innenbohrung
45: Nut
47: Innengewinde
48: Unterseite
d₁₀: Durchmesser Probenröhrchen
d₂₃: Durchmesser Innenbohrung
h₁₁: Höhe Kragen
h₂₁: Höhe Senkung (Tiefe)
h₃₀: Höhe O-Ring, Fadendicke
h₄₅: Höhe Nut (Tiefe)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10333143 B4 [0004]
US 6362624 B1 [0006]
US 6486672 B1 [0006]
JP 3886677 B2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. C. Roe im J. Magn. Reson. 63 (1985) 388 [0004]
J. Magn. Reson. 63 (1985) 388 [0005]
ANSI/ASME B 1.20.1 – 1983 [0025]
J. of Magn. Res. 63, S. 389 Fig. 1 [0046]

Claims

Hochdruck-NMR-Messzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle einen rotationssymmetrischen zylinderförmigen Überwurfflansch (20) aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, einem darin gehaltenen Probenröhrchen (10) aus Saphir oder Polyetheretherketon, einen über dem Überwurfflansch (20) angeordneten zylinderförmigen rotationssymmetrischen Adapterflansch (40) aus einem nichtmagnetischen Werkstoff und einen zwischen den beiden Flanschen (20; 40) angeordneten, abdichtenden O-Ring umfaßt, wobei der Überwurfflansch (20) eine zentrale axiale Innenbohrung (23) aufweist zur Aufnahme des Probenröhrchens (10) und eine zweite größere zentrierte axiale Innenbohrung oder Senkung (21) aufweist zur Aufnahme eines die Wandung (15) des Probenröhrchens (10) überragenden Kragens (11) des Probenröhrchens (10), der zylinderförmige Adapterflansch (40) in T-Form ausgebildet und mit dem größeren Durchmesser dem Probenröhrchen (10) zugewandt ist und eine zentrierte axiale Innenbohrung (44) aufweist, die gleich oder größer als der Außendurchmesser des Probenröhrchens (10) ist, im Außenrand des Adapterflansches (40) wenigstens 4 Durchgangsbohrlöcher (43) rotationssymmetrisch angeordnet sind, durch die Schrauben (41) in die kongruent zu den Durchgangsbohrlöchern angeordnete Gewindebohrlöcher (24) des Überwurfflansches (20) eingreifen, und wobei der O-Ring (30), der in einer konzentrischen, radial umlaufenden Nut (45) an der Unterseite (48) des Adapterflansches (40) fixiert ist, auf dem Kragen (11) des Probenröhrchens (10) dichtend aufliegt.
Hochdruck-NMR-Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang der Innenbohrung (23) zu der größeren Innenbohrung oder Senkung (21) des Überwurfflansches (20) ein Radius oder eine Fase (22) ausgebildet ist.
Hochdruck-NMR-Messzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (42) ein Innengewinde (47) aufweist.
Hochdruck-NMR-Messzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (47) ein NPT-Gewinde, ein ISO-Gewinde, ein ISO/BSP-Gewinde, ein SAE/MS-Gewinde, ein UNF-Gewinde oder ein Gewinde für eine AN-Verschraubung, eine Schott-Verschraubung, eine Schneidring-Verschraubung, eine VCR-Verschraubung oder eine VCO-Verschraubung ist.
Hochdruck-NMR-Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Senkung (21) eine Höhe von mindestens der Dicke des Kragens (11) aufweist, jedoch maximal die Differenz nicht überschreitet, die sich aus der Fadendicke des O-Ringes (30) abzüglich der Tiefe der Nut (45), abzüglich der einer der Elastizität entsprechenden zusammendrückbaren Dicke des O-Ringes (30) ergibt.
Hochdruck-NMR-Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Adapterflansch (40) oder der Überwurfflansch (20) oder beide aus einer nichtmagnetischen Legierung, aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen.
Hochdruck-NMR-Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenröhrchen aus Saphir besteht.
Hochdruck-NMR-Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauben (41) aus einer nichtmagnetischen Legierung, aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen.
Hochdruck-NMR-Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Zusammenwirken von Kragenhöhe h₁₁ des Kragens 11 vom Probenröhrchen 10 und Höhe h₂₁ der Senkung 21 vom Überwurfflansch 20 einerseits sowie Höhe h₃₀ des O-Ringes 30 und Tiefe h₄₅ der Nut 45 im Adapterflansch 40 andererseits die Beziehung gilt h₃₀ – h₄₅ – dh₃₀ – h₂₁ – h₁₁ ≥ 0, wobei dh die zusammenpressbare Dicke des O-Ringes ist und wobei h₂₁ > h₁₁ und h₄₅ < h₃₀ ist.