Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Schaltventil für die Hochleistungsflüssigkeitschromato- graphie (HPLC), mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 .

In der HPLC muss eine zu untersuchende Probe in einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrom eingespeist werden, wobei dieser nur so kurz wie möglich unterbrochen werden darf. Für diesen Zweck werden Hochdruck-Schaltventile in Form von Hochdruck-Injektionsventilen verwendet, die eine nahezu unterbrechungsfreie Umschaltung des Flüssigkeitsstroms ermöglichen. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise in der US- Patentschrift 3,530,721 beschrieben, die ursprüngliche Anmeldung dazu stammt bereits aus dem Jahre 1965.

Die Weiterentwicklung eines solchen Injektionsventils ist beispielsweise in der US- Patentschrift 4,242,909 erwähnt. Das Grundprinzip des dort gezeigten Ventils hat sich inzwischen in der HPLC weitgehend durchgesetzt. Da vorliegende Erfindung auf diesem Ventiltyp basiert, wird das Prinzip im Folgenden näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein solches Hochdruckventil nach dem Stand der Technik. Es besteht aus einem Stator 1 12 und einem Rotor 106. Der Stator 1 12 weist insgesamt sechs Ein- und Ausgangsports 1 18 auf. Über diese Ports kann das Injektionsventil über Kapillarverbindungen mit den anderen Funktionselementen des HPLC-Systems verbunden werden. Die dafür benötigten Portanschlüsse und Hochdruckverschraubungen sind der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 nicht dargestellt. Innerhalb des Ventils sind die Ports als Kanäle, beispielsweise in Form von Bohrungen ausgebildet, die zur Statorstirnfläche 1 14 des Stators 1 führen. Abweichend von der vereinfachten Darstellung in den Zeichnungen ist bei praktisch realisierten Ventilen der Lochkreisdurchmesser auf der Seite der Portanschlüsse meist größer als auf der Statorstirnfläche 1 14. Der Rotor weist eine Anzahl bogenförmiger Nuten 108 auf, die genau auf die Bohrungen der Ein- und Ausgangsports bzw. deren Port-Öffnungsquerschnitte in der Statorstirnfläche 1 14 ausgerichtet sind. Dies ist in Fig. 1 durch punktierte Linien angedeutet. Zur deutlicheren Darstellung ist in Fig. 1 der Rotor 106 mit einem Abstand vom Stator 1 12 gezeichnet. In zusammengebautem Zustand des Ventils ist dieser Abstand gleich Null, daher liegt die Oberfläche 1 10 des Rotors 106 unmittelbar auf der Statorstirnfläche 1 14 des Stators 1 12, wie in Fig. 2 gezeigt. An dieser Stelle sei erwähnt, dass das Ventil nach Fig. 1 selbstverständlich auch zu anderen Zwecken verwendet werden kann als nur zum Zweck des Injizierens.

Fig. 2 zeigt ein betriebsbereit zusammengebautes Ventil nach dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung. Der Rotor 106 wird mit einer Andruckkraft, die durch den Pfeil F angedeutet ist, gegen den Stator 1 12 gepresst, so dass sich eine gemeinsame Grenzfläche 1 10 zwischen Rotor 106 und Stator 1 12 ausbildet, an der die beiden Teile gegeneinander dichten. Die Andruckkraft F wird dabei so bemessen, dass die Anordnung auch bei den höchsten zu erwartenden Drücken noch dicht ist.

In der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten ersten Schaltstellung des Ventils sind die Nuten 108 zu den Port-Öffnungsquerschnitten der Ein- und Ausgangsports 1 18 so ausgerichtet, dass sie drei Verbindungen zwischen je zwei benachbarten Ein- und Ausgangsports herstellen. Aufgrund der Dichtwirkung an der Grenzfläche oder Kontaktfläche zwischen dem Rotor 106 und dem Stator 1 12 kann also einem Port 1 18 zugeführte Flüssigkeit ausschließlich an dem betreffenden benachbarten Port 1 18 austreten.

Zum Umschalten des Ventils in eine zweite Schaltstellung kann der Rotor 106 gegenüber dem Stator 1 12 um 60° verdreht werden, so dass die Nuten nun jeweils diejenigen Ports miteinander verbinden, die zuvor keine Verbindung hatten. Die Drehrichtung ist in Fig. 1 durch einen Pfeil auf dem Rotor angedeutet. Die Drehrichtung kann jedoch auch entgegengesetzt gewählt werden.

Die Umschaltung wird üblicherweise durch einen motorischen Antrieb ausgeführt, der den Rotor 106 gegenüber dem Stator 1 12 verdrehen kann. Der Antrieb wurde der Übersichtlichkeit halber in den Zeichnungen weggelassen. Grundsätzlich kann die Umschaltung des Ventils jedoch auch manuell erfolgen.

Der Vorteil derartiger Ventile besteht darin, dass sie bei ausreichend hoher Andruckkraft F für sehr hohe Drücke verwendbar sind. Außerdem können die Bohrungen der Ports 1 18 so angeordnet werden, dass die Enden auf einem Kreis mit sehr geringem Radius liegen. Die Nuten liegen dann ebenfalls auf einem Kreis mit sehr geringem Radius, so dass die Totvolumina des Ventils sehr klein gehalten werden können. In der HPLC ist in den letzten Jahren ein Trend zu Trennsäulen mit geringerer Partikelgröße zu beobachten. Derartige Trennsäulen ermöglichen eine bessere Trennleistung und eine schnellere Trennung, weshalb man von Fast-HPLC spricht.

Da mit sinkender Partikelgröße der Flusswiderstand sehr stark ansteigt, sind für die Fast- HPLC erheblich höhere Drücke erforderlich. Der maximal auftretende Säulendruck liegt bei konventioneller HPLC typischerweise zwischen 100 und 400 bar, während bei der Fast- HPLC meist 600 bis 700 bar erforderlich sind, teilweise sogar über 1000 bar. Es zeichnet sich bereits ein Trend zu Säulen mit noch besserer Trennleistung ab, die sogar noch höhere Drücke bis ca. 2000 bar erfordern.

Um Hochdruck-Injektionsventile bei derart hohen Drücken betreiben zu können, muss die Anpresskraft F (siehe Fig. 2) entsprechend erhöht werden, damit das Ventil dicht ist. Damit der Rotor, der aus Kosten- und technischen Gründen normalerweise aus Kunststoff gefertigt wird, dieser Kraft standhält, verwendet man nach dem Stand der Technik glas- oder kohlefaserverstärkte Kunststoffe. Weiterhin kommt es durch die erhöhte Anpresskraft F zu einer erhöhten Materialbeanspruchung und folglich übermäßiger Abnutzung, so dass die Lebensdauer des Ventils (Zahl der Schaltspiele) unbefriedigend ist.

Dieses Problem kann durch entsprechende Materialwahl bzw. Beschichtung gelöst werden. So ist in der US 6,453,946 eine spezielle Beschichtung beschrieben, die eine kostengünstige Herstellung von Rotor und Stator erlaubt und gleichzeitig den Verschleiß der Materialien stark verringert.

In der WO 2009/101695 ist ein Schaltventil beschrieben, bei dem der Stator zur Verbesserung der Standfestigkeit mit einer Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff (DLC Beschichtung) versehen ist. Die Stirnfläche bzw. Kontaktoberfläche des Rotors besteht aus einem Kunstharz.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich solche verbesserten Ventile zwar günstiger verhalten, aber bei Betrieb mit sehr hohen Drücken dennoch bereits nach einer relativ geringen Anzahl von Schaltzyklen ausfallen. Die US 2010/0281959 A1 beschreibt ein für hohe Drücke geeignetes Schaltventil, bei dem die Stator- und/oder Rotorflächen mit einer DLC Schicht versehen sind, wobei zwischen dem jeweiligen Grundkörper, der aus Metall bestehen kann, ein Haftschicht vorgesehen ist. Allerdings besteht bei der Verwendung von jeweils hartem Material für Rotor und Stator die Gefahr, dass ein erhöhter Verschleiß infolge einer ungleichmäßigen Flächenpressung in der Kontaktfläche auftritt, da sich harte Grundkörper in der Kontaktfläche kaum deformieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hochdruck-Schaltventil für die Hoch- leistungsflüssigkeitschromatographie zu schaffen, welches eine verbesserte Verschleiß- und Standfestigkeit aufweist und dennoch einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 .

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass in Abkehr vom üblichen Aufbau derartiger Hochdruck-Schaltventile nicht nur der Stator aus einem harten Material hergestellt wird, sondern auch der Rotor. Als Materialien, die hoch verschleißfest sind, kommen dabei insbesondere Metall, keramische Werkstoffe und Glas in Frage. Infolge der erforderlichen hohen Anpresskräfte wurden derart harte Materialen für Rotor und Stator bisher nicht verwendet, da die hohe Flächenpressung in der Kontaktfläche der beiden Teile bereits bei geringen Fertigungstoleranzen der Oberflächen oder geringen Fehlpositionierung der Oberflächen zueinander (z.B. bei einem Verkanten) zu einer Beschädigung der Oberflächen oder gar einem Bruch von Rotor oder Stator führen.

Erfindungsgemäß genügt es dabei, wenn zumindest die Bereiche von Rotor und Stator, an welchen die Kontaktflächen bzw. Stirnflächen ausgebildet sind, aus einem harten Material bestehen. Es können somit Rotor und/oder Stator auch Teile aus entsprechendem Material, insbesondere Einsatzteile, aufweisen, an welchen die betreffende Stirnfläche ausgebildet ist.

Durch die erfindungsgemäße taumelbare oder kippbare Lagerung des Stators oder des Rotors bzw. eines betreffenden damit verbundenen Teils kann gewährleistet werden, dass trotz der Verwendung von harten Materialen auch während der Drehbewegung des Rotors eine relative gleichmäßige Flächenpressung innerhalb der Kontaktfläche erreicht wird, jedenfalls aber ein dichtes Anliegen der Rotorstirnfläche 1 10 an die Statorstirnfläche, wobei die harten Materialien eine deutlich verbesserte Verschleiß- und Standfestigkeit gewährleisten.

Unter einer taumelbaren Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator soll verstanden werden, dass eine Taumelbewegung des jeweiligen Elements um die Rotationsachse des Stators bzw. um die Achse des Ventils erfolgt. Infolge der Ermöglichung der Taumelbewegung ist selbstverständlich gewährleistet, dass Rotor und Stator in jeder Winkellage der Rotation aneinander anliegen, wobei zusätzlich eine über die gesamte Anlagefläche relativ gleichmäßige Flächenpressung erreicht wird, zumindest jedoch eine um die Achse rotationssymmetrische Flächenpressung.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Rotor oder das mit dem Rotor verbundene Element mittels wenigstens eines kissenartigen Elements aus einem Material taumelbar gelagert sein, welches einerseits ausreichend weich und elastisch ist, um die Taumelbewegung zu ermöglichen, und andererseits ausreichend steif, um die für die abdichtende Wirkung erforderliche Anpresskraft zu erzeugen. Als Material eignet sich beispielsweise ein Polymermaterial, Polyimid, Polyamidimid oder Polyetherketon, insbesondere PEEK.

Anstelle einer taumelbaren bzw. kippbaren Lagerung des Rotors kann auch der Stator entsprechend gelagert werden. Da die Kontaktfläche zwischen Rotor und Stator achsnah zur Rotationsachse des Rotors liegt, muss die Lagerung des Stators radial außerhalb dieses Bereichs erfolgen, beispielsweise indem die Statorstirnfläche oder andere Flächen des Stators, die dem Rotor zugewandt sind, auf einem ringförmigen Element oder auf mehreren, über den Umfang verteilten kissenartigen Elementen aufliegt, welches bzw. welche aus einem geeigneten flexiblen Material bestehen.

Bei der Realisierung einer taumelbaren Lagerung des Rotors, also einer Lagerung, welche Taumelbewegungen des Rotors ermöglicht, kann das wenigstens eine kissenartige Element in einem Element oder Teil des Antriebs für den Rotor aufgenommen sein, welches auf der von der Rotorstirnfläche abgewandten Seite angeordnet ist.

In diesem Fall bietet es sich an, das wenigstens eine kissenartige Element an oder in einem Element oder Teil des Antriebs vorzusehen, welches rotatorisch angetrieben und drehfest mit dem Rotor gekoppelt ist. Hierdurch kommt es nicht oder nur in einem sehr geringen Umfang zu Relativbewegungen in der Grenzfläche zwischen dem kissenartigen Element und dem Rotor. Allenfalls die Taumel- oder Kippbewegungen des Rotors während seiner Rotation können hier zu derartigen Bewegungen zwischen dem Rotor und dem kissenartigen Element führen, die jedoch so gering sind, dass ein Verschleiß, insbesondere an der Oberfläche des kissenartigen Elements, kaum zu erwarten ist.

Das das wenigstens eine kissenartige Element aufnehmende Teil des Antriebs kann mehrere, vorzugsweise als Zapfen ausgebildete Eingriffselemente aufweisen, welche in vorzugsweise als Bohrungen ausgebildete Ausnehmungen des Rotors eingreifen und den Rotor kraftschlüssig mit dem das wenigstens eine kissenartige Element aufnehmende Teil des Antriebs koppeln, wobei die Eingriffselemente und Ausnehmungen so ausgebildet sind, dass sie die Taumelbewegungen oder Kippbewegungen des Rotors ermöglichen. Es genügt im einfachsten Fall, den Durchmesser der Bohrungen, die sich vorzugsweise parallel zur Rotationsachse des Rotors erstrecken, geringfügig größer zu wählen als den Außendurchmesser der Zapfen. Da für den Rotor üblicherweise eine Positioniergenauigkeit von ca. einem halben Grad genügt, ist ein entsprechendes Spiel zwischen den Zapfen und den Bohrungen ohne weiteres zulässig.

Dabei kann die Bohrung für den Zapfen als sich vom Fu ß des Zapfens in Richtung auf die Spitze des Zapfens erweiternde Bohrung, insbesondere als Stufenbohrung ausgeführt sein, wobei der Innendurchmesser der Bohrung am Fuß des Zapfens nur geringfügig größer als der Au ßendurchmesser des Zapfens ist, dass einerseits eine gute Positionierung des Zapfens erreicht wird und andererseits dennoch eine ausreichende Winkelbeweglichkeit des Zapfens gewährleistet ist. Denn durch die in Richtung auf die Zapfenspitze erweiterte Bohrung wird der obere Bereich des Zapfens nicht innerhalb eines Bereichs der zulässigen und nötigen Schwenkbewegung bzw. Taumelbewegung begrenzt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Stator aus einem Metallkörper bestehen, an welchem die Portanschlüsse ausgebildet sind und welcher ein Einsatzteil aus Glas- oder Keramik aufnimmt, an welchem die Statorstirnfläche ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Statorstirnfläche auch einem härteren Material gebildet ist, wobei die Portanschlüsse auf einfache, herkömmliche Weise in dem Metallteil ausgebildet sein kön- nen. Selbstverständlich ist dabei für eine ausreichende Dichtwirkung zwischen den beiden Teilen, insbesondere im Bereich des Übergangs der die Ports bildenden Kanäle von dem Metallteil in das aus dem härteren Material bestehende Teil zu sorgen. Diese Dichtwirkung kann beispielsweise durch ein Verkleben der beiden Teile erzielt werden oder durch das Zwischenlegen eines oder mehrerer Dichtelemente, wobei durch das Aneinanderpressen von Stator und Rotor auch ein Aneinanderpressen der beiden Statorteile erfolgt, so dass hierdurch eine dichtende Wirkung gewährleistet ist. Anstelle eines oder mehrerer separater Dichtelemente kann zwischen dem Metallkörper und dem Einsatzteil zumindest in Teilbereichen eine dünne Kunststoffschicht auf eines der beiden Teile aufgebracht und damit fest verbunden sein.

Als Material für derartige Dichtelemente oder dichtende Kunststoff schichten eignen sich insbesondere Polyetherketone, vorzugsweise PEEK.

Vorzugsweise erfolgt die Abdichtung jedoch über eine Steckereinheit, die in den betreffenden Port 1 18 eingesetzt und mit diesem verschraubt wird, wobei die Kapillarenspitze bis in den Bereich des Einsatzteils reicht und hier abdichtet.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der Statorstirnfläche und/oder der Rotorstirnfläche eine harte, die Reibung reduzierende Beschichtung aufgebracht, vorzugsweise aus amorphem Kohlenstoff (DLC Beschichtung). Eine derartige Schicht führt zu einer Reduzierung der Reibung in der Kontaktfläche zwischen Rotor und Stator.

Eine derartige Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff kann insbesondere durch plasmaunterstütze chemische Gasabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECVD) aufgebracht werden. Durch dieses Verfahren kann eine sehr gleichmäßige Beschichtung erreicht werden, so dass eine Nachbearbeitung nicht mehr erforderlich ist. Als sehr gute Kombination hat sich das Aufbringen einer derartigen DLC Beschichtung auf die Stirnfläche eines aus Keramik bestehenden Rotors oder Stators bzw. eines Teils davon herausgestellt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Statorstirnfläche im Bereich des Kontakts mit der Rotorstirnfläche eben und die Rotorstirnfläche im Bereich des Kontakts mit der Statorstirnfläche leicht ballig ausgebildet sein oder umgekehrt, um die Überhöhung der Flächenpressung im Randbereich der Kontaktfläche zu reduzieren. Hierdurch kann der Betrag der Anpresskraft reduziert werden, da sich die Anpresskraft gleichmäßiger über die Kontaktfläche zwischen Rotor und Stator verteilt. Es kann somit bei einer bestimmten erforderlichen Flächenpressung in der Kontaktfläche im Bereich der Portquerschnitte und Nuten die zu deren Erzeugung nötige Anpresskraft reduziert werden. Zudem wird der infolge einer reduzierten Flächenpressung im Randbereich der Stirnfläche des Stators bzw. Rotors der Verschleiß reduziert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Rotors und eines Stators eines Hochdruck-Schaltventils nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische perspektivische eines mit einem Stator zusammenwirkenden Rotors des Hochdruck-Schaltventils in Fig. 1 ;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Hochdruck-Schaltventils nach der Erfindung;

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs der drehfesten Verbindung zwischen dem Rotorantrieb und dem Rotor in Fig. 3; und

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Überhöhung der Flächenpressung im Randbereich der Kontaktfläche zwischen Rotor und Stator des Hochdruck-Schaltventils in Fig. 3.

Das in Fig. 3 schematisch dargestellte Hochdruck -Schaltventil 100 besteht aus einem nicht vollständig dargestellten Gehäuse 102, in welchem ein nur teilweise dargestellter Antrieb 104 angeordnet ist, welcher einen Rotor 106 rotatorisch um die Achse A antreibt. Bei dem Antrieb kann es sich beispielsweise um einen elektromotorischen Antrieb, insbesondere einen Schrittmotor handeln, der von einer nicht näher dargestellten Steuereinheit in vorbestimmte Schaltpositionen steuerbar ist. Dabei sind selbstverständlich nicht nur die vorgege- benen Schaltpositionen ansteuerbar, sondern auch die Rotationsgeschwindigkeit bzw. der zeitliche Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit.

Der Rotor 106 des Schaltventils 100, in dessen Rotorstirnfläche 1 10 eine oder mehrere Nuten 108 vorgesehen sind, wirkt mit einem Stator 1 12 zusammen, welcher eine Statorstirnfläche 1 14 aufweist, in welcher in der eingangs beschriebenen Art und Weise Port- Öffnungsquerschnitte 1 16 mehrerer durch im Stator 1 12 ausgebildeter Ports 1 18 münden. Die jeweils anderen Enden der die Ports 1 18 bildenden Kanäle sind mit nur teilweise dargestellten Portanschlüssen 1 18a verbunden, die beispielsweise eine Schraubverbindung für den Anschluss von Hochdruckkapillaren bereitstellen. Diese können beispielsweise eine Kapillare (nicht dargestellt aufnehmen, welche bis in den vorderen, verjüngten Bereich des betreffenden Portanschlusses 1 18a reicht und hier abdichtend angepresst wird, beispielsweise mittels eines in den Bereich 1 18a einschraubbaren Steckerteils.

Die prinzipielle Funktionsweise des in Fig. 3 dargestellten Hochdruck-Schaltventils 100 entspricht dem anhand der Fig. 1 und 2 dargestellten Prinzip, so dass diesbezüglich auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen werden kann.

Der Stator 1 12 des in Fig. 3 dargestellten Hochdruck-Schaltventils 100 kann einen Teil des Gehäuses 102 bilden und beispielsweise mit einem weiteren Gehäuseteil 120 verbunden, beispielsweise verschraubt sein. Das Gehäuseteil 120 kann topfförmig ausgebildet sein, so dass im Gehäuseteil 120, welches in Fig. 3 nur mit seinem oberen Randbereich dargestellt ist, alle übrigen Komponenten des Hochdruck-Schaltventils 100 aufgenommen sein können. Insbesondere kann im Gehäuseteil 120 der Antrieb 104 angeordnet sein, welche ein rotatorisch angetriebenes Teil 122 aufweist. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das rotatorisch angetriebene Teil 122 des Antriebs 104 um die Achse A antreibbar und hinsichtlich dieser Bewegung geführt.

Der obere, dem Rotor 106 zugewandte Teil des angetriebenen Teils 122 weist eine zylindrische Form auf und besitzt an seiner dem Rotor 106 zugewandten Stirnfläche mehrere, zur Achse A parallel verlaufende, als Zapfen ausgebildete Eingriffselemente 124. Die Eingriffselemente 124 greifen in entsprechend ausgebildete Bohrungen 126 im Rotor 106 ein, der, wie in Fig. 3 dargestellt, ebenfalls eine zylindrische Form aufweisen kann. Die Eingriffselemente 124 sind vorzugsweise entlang eines konzentrischen Kreises um die Achse A angeordnet. Beispielsweise können drei Eingriffselemente 124 vorgesehen sein, die vorzugsweise entlang des konzentrischen Kreises angeordnet sind. Gleiches gilt selbstverständlich für die mit den Eingriffselementen 124 zusammenwirkenden Bohrungen 126.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird der Rotor 106 mit seiner Rotorstirnfläche 1 10 gegen die Statorstirnfläche 1 14 des Stators 1 12 gepresst. Die Flächenpressung in der Kontaktfläche der Rotorstirnfläche 1 10 und der Statorstirnfläche 1 14 ist so groß, dass sich eine abdichtende Wirkung auch dann ergibt, wenn dem Hochdruck-Schaltventil 100 das flüssige Medium unter hohem Druck zugeführt wird. Hierzu wird der Rotor in axialer Richtung durch das Teil 122 des Antriebs 104 in axialer Richtung beaufschlagt. Hierzu wird das Teil 122 des Antriebs 104 von einer Andruckeinheit 128 axial beaufschlagt. Hierbei kann es sich um eine ringförmig ausgebildete Federeinheit handeln, welche, wie in Fig. 3 dargestellt, eine ringförmige, rückwärtige Stirnfläche des Teils 122 beaufschlagt. Mit dem anderen Ende kann sich die Andruckeinheit 128 gegen den Boden (nicht dargestellt) des Gehäuseteils 120 abstützen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist der Stator zweiteilig ausgeführt. Ein äußeres Teil 1 12a besteht vorzugsweise aus Metall, so dass die die Portanschlüsse 1 18a für die Ports 1 18 auf einfache Weise, beispielsweise durch Bohren, hergestellt werden können.

Ein im äu ßeren Statorteil 1 12a aufgenommenes inneres Statorteil 1 12b, an welchem auch die Statorstirnfläche 1 14 ausgebildet ist, kann aus einem harten Material, insbesondere aus Keramik hergestellt sein. Selbstverständlich ist es erforderlich in diesem Keramikteil die betreffenden Teile der die Ports 1 18 bildenden Kanäle auszubilden, welche in der Statorstirnfläche 1 14 in die entsprechenden Port-Öffnungsquerschnitte münden.

Die Verwendung eines aus hartem Material bestehenden inneren Statorteils 1 12b anstelle eines insgesamt aus dem harten Material bestehenden Stators 1 12 bringt den Vorteil mit sich, dass die Portanschlüsse auf einfachere Weise hergestellt werden können.

Da die Statorstirnfläche 1 14 aus einem harten Material, wie Keramik, besteht, wird eine entsprechende Verschleißfestigkeit und Standfestigkeit des Hochdruck-Schaltventils 100 erreicht. Das innere Statorteil 1 12b kann in eine entsprechende Ausnehmung in der Innenseite des äußeren Statorteils 1 12a eingepresst sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann, wie in Fig. 3 dargestellt, das innere Statorteil 1 12b an seinem äu ßeren Umfang auch eine Schulter aufweisen, mit welcher das innere Statorteil 1 12b auf der ringförmigen Stirnfläche des Gehäuseteils 120 aufliegt. Da der Stator 1 12 bei der in Fig. 3 dargestellten zweiteiligen Ausbildung mit seinem äu ßeren Statorteil 1 12a mit dem Gehäuseteil 120 verbunden, beispielsweise verschraubt ist, wird das innere Statorteil 1 12b sicher zwischen dem äu ßeren Statorteil 1 12a und der Stirnseite des Gehäuseteils 120 gehalten.

Zudem wird das innere Statorteil 1 12b durch die Beaufschlagung mit einer hohen Andruck- kraft, welche durch die Andruckeinheit 128 erzeugt und über das angetriebene Teil 122 des Antriebs 104 und den Rotor 106 auf das innere Statorteil 1 12b übertragen wird, sicher im Gehäuse fixiert.

Ein Abstützen des Statorteils 1 12b auf dem Gehäuseteil 120 wäre somit nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann das Statorteil 1 12b auch allein durch die Andruckkraft, die über den Rotor 106 auf den Stator 1 12 ausgeübt wird, sicher in seiner Position fixiert werden.

Die Gewährleistung einer ausreichend genauen radialen Position des Statorteils 1 12b beziehungsweise des Stators 1 12 wird durch die Ausnehmung im äußeren Statorteil 1 12a gewährleistet, in welcher das innere Statorteil 1 12b passgenau einsetzbar ist, und durch die ausreichend exakte radiale Positionierung des Stators in Folge der Verbindung mit dem Gehäuseteil 120.

Um eine hohe Verschleiß- und Standfestigkeit zu erreichen, ist der Rotor 106 des Hochdruck-Schaltventils 100 ebenfalls aus einem harten Material, vorzugsweise aus Keramik, hergestellt. Hierdurch wirken somit eine jeweils aus hartem Material bestehende Rotor- und Statorstirnfläche 1 10, 1 14 zusammen. Da derart harte Werkstoffe nur eine äußerst geringe Elastizität aufweisen, die nicht ausreicht, um übliche Toleranzen bei der Fertigung und Montage des Hochdruck-Schaltventils auszugleichen, insbesondere eine Verkippung der Rotationsachse A des Rotors gegenüber der Normalen auf die Statorstirnfläche 1 14, würde bei einer üblichen Konstruktion des Hochdruck-Schaltventils die große Gefahr bestehen, dass bei der hohen erforderlichen Flächenpressung bzw. der hohen Andruckkraft, die über den Rotor 106 auf den Stator 1 12 ausgeübt wird, die Statorstirnfläche 1 14 und/oder die Rotorstirnfläche 1 10 beschädigt werden, insbesondere bei der Rotationsbewegung des Rotors 106.

Aus diesem Grund wird die Unterseite, d.h. die der Rotorstirnfläche 1 10 abgewandte Stirnseite des zylindrischen Rotors 106 nicht unmittelbar von der Stirnfläche des rotatorisch angetriebenen Teils 122 des Antriebs 104 beaufschlagt, sondern über ein kissenartiges Element 130. Das kissenartige Element 130 besteht aus einem ausreichend weichen und elastischen Material, um eine Taumelbewegung bzw. Kippbewegung des Rotors 106 bei dessen Bewegung um die Achse A zu ermöglichen. Andererseits ist das Material des kissenartigen Elements 130 ausreichend steif, um die für die abdichtende Wirkung in der Kontaktfläche zwischen Rotor 106 und Stator 1 12 erforderliche Anpresskraft zu übertragen. Das kissenartige Element 130 ist bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform in einer axialen Ausnehmung im rotatorisch angetriebenen Teil 122 des Antriebs 104 aufgenommen und ragt mit seiner Oberseite geringfügig über die obere Stirnfläche des Teils 122 hinaus. Das Material und dieser Überstand des kissenartigen Elements 130 ist so zu wählen, dass auch bei Übertragung der vollen Anpresskraft auf den Rotor 106 das Element 130 nicht so weit zusammengepresst wird, dass der Rotor 106 mit seiner rückwärtigen Stirnseite flächig an der dieser zugewandten Stirnfläche des Teils 122 anliegt. Denn in diesem Fall würden die erforderlichen Taumelbewegungen des Rotors 106 blockiert.

Bei dem Material des Elements 130 kann es sich um einen ausreichend festen beziehungsweise harten und dennoch elastischen Kunststoff handeln, wie beispielsweise einem Polyetherketon. Insbesondere kann das Teil 130 aus PEEK bestehen. Selbstverständlich muss auch die Kopplung zwischen dem angetriebenen Teil 122 und dem Rotor 106 mittels der Eingriffselemente 124 und der damit zusammenwirkenden Ausnehmungen beziehungsweise Bohrungen 126 so ausgebildet sein, dass die Taumelbewegungen in ausreichendem Maß ermöglicht werden. Hierfür kann der Innendurchmesser der Bohrungen 126 um ein entsprechendes Maß größer gewählt werden als der Au ßendurchmesser der Eingriffselemente bzw. Zapfen 124. Ein derartiges Spiel zwischen den Eingriffselementen 124 und den Ausnehmungen 126 ist auch im Hinblick auf eine ausreichend exakte Winkelpositionierung des Rotors 106 zulässig.

Wie aus der Auschnittsvergrößerung nach Fig. 4 ersichtlich, wird eine ausreichend exakte Winkelpositionierung um die Achse A dadurch erreicht, dass die Ausnehmungen 126 im unteren Bereich, also im Fu ßbereich des Eingriffselements 124, einen kleineren Innendurchmesser aufweist als im vorderen Bereich des Eingriffselements 124. Der Innendurchmesser der Ausnehmung 126 muss in diesem Bereich (relativ geringer axialer Höhe) so gewählt werden, dass die geforderte Genauigkeit der Winkelpositionierung des Rotors um die Achse A erreicht wird, die Taumelfähigkeit um einen gewünschten Winkelbereich jedoch erhalten bleibt. Diese Positionierungsgenauigkeit muss in der Größenordnung von ca. einem halben Grad liegen. Dies reicht aus, um eine sichere Verbindung zwischen den Ports 1 18 und den Nuten 108 beziehungsweise ein vollständiges Isolieren der Ports 1 18 von den Nuten 108 in den vorbestimmten Schaltstellungen des Hochdruck-Schaltventils 100 zu gewährleisten.

Selbstverständlich kann die gewünschte Taumelbewegung des Stators 106 bei der Verwendung von harten Materialien für Rotor und Stator auch mittels anderer Konstruktionen erreicht werden. Beispielsweise können auch anstelle eines einzigen axial angeordneten kissenartigen Elements 130 mehrere über den Umfang eines koaxialen Kreises in der Stirnfläche des Teils 122 angeordnete kissenartige Elemente verwendet werden. Anstelle eines kissenartigen Elements aus Kunststoff können ebenfalls andere, eine entsprechende Beweglichkeit des Rotors 106 gewährleistende Mittel verwendet werden, wie beispielsweise Federelemente aus Metall (Schraubenfedern, Tellerfedern, Festkörpergelenke etc.).

Die in Fig. 3 und 4 dargestellte Konstruktion eines Hochdruck-Schaltventils 100 gewährleistet somit über das Ermöglichen erforderlicher Taumelbewegungen des Rotors 106 ein planes Anliegen der Rotorstirnfläche 1 10 an die Statorstirnfläche 1 14 mit einer möglichst über die gesamte Kontaktfläche gleichmäßigen Flächenpressung in jeder Winkelstellung des Rotors 106 und auch während dessen rotatorischer Bewegung.

Um die Reibung zwischen der Statorstirnfläche 1 14 und der Rotorstirnfläche 1 10 zu reduzieren hat sich die Verwendung einer sogenannten DLC-Beschichtung auf einer der beiden Oberflächen oder auf beiden Oberflächen als vorteilhaft herausgestellt.

Eine derartige Beschichtung ist zwar im Stand der Technik auf einer harten Oberfläche eines Stators bekannt, jedoch wird in diesem Fall als Rotor ein Element aus einem Kunstharz verwendet. Da das Zusammenwirken verschiedener Materialien und Beschichtungen auf Oberflächen aus bestimmten Materialien zur Reibungsreduzierung und zur Erzeugung möglichst verschleißfester Oberflächen häufig überraschende Effekte mit sich bringt, war es durchaus überraschend, dass eine derartige DLC-Beschichtung auch bei der Verwendung von harten Materialien, insbesondere Keramik, sowohl für den Stator 1 12 als auch den Rotor 106 vorteilhaft ist.

Eine derartige DLC-Schicht wurde unter Verwendung eines plasmaunterstützten chemischen Gasabscheidungsverfahrens (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECV) aufgebracht. Hierdurch konnte eine extrem gleichmäßige Beschichtung mit konstanter Dicke erzeugt werden. Durch das Aufbringen einer derartigen DLC-Schicht auf eine möglichst ebene Keramikoberfläche ergibt sich somit eine extrem ebene und glatte Statorstirnfläche 1 14 bzw. Rotorstirnfläche 1 10.

Eine weitere Verbesserung im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Rotor 1 12 und dem Stator 106 kann dadurch erreicht werden, dass eine der beiden Oberflächen, bei der Konstruktion nach Fig. 3 vorzugsweise die Statorstirnfläche 1 14 leicht ballig ausgebildet wird. Hierdurch lässt sich der Effekt der Überhöhung der Flächenpressung in dem äußeren Randbereich der Kontaktfläche reduzieren.

Fig. 5 zeigt eine Simulation für die Flächenpressung (die geringfügigen Abweichungen für die Kurven„Rotor-Kante" und„Stator-Kante" resultieren aus numerischen Ungenauigkeiten, die sich z.B. durch die Definition der Randbedingungen ergeben) ohne eine ballige Ausbildung der Statorstirnfläche 1 14. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ergibt sich im Randbereich eine extreme Überhöhung der Flächenpressung. Da die Kraft zur Erzeugung der Flächenpressung als integral über den Verlauf der Flächenpressung und den Radius ermittelt wird, wird aus Fig. 5 deutlich, dass ein ganz beträchtlicher Teil der axialen Anpresskraft im äu ßeren Randbereich„verloren geht" und nicht zur Erzeugung einer ausreichenden Dichtwirkung im radial inneren Bereich der Kontaktfläche zwischen Rotorstirnfläche 1 10 und Statorstirnfläche 1 14, in welchem die Port-Öffnungsquerschnitte 1 16 und die Nuten 108 liegen, beitragen kann.

Eine leicht ballige Ausbildung (gegebenenfalls mit unterschiedlichen Radien) der Statorstirnfläche 1 14 kann somit dazu beitragen, zum Einen die notwendige Anpresskraft F zwischen Rotor und Stator zu reduzieren (um eine Dichtwirkung zu gewährleisten) und zum Anderen um extrem hohe Flächenpressungen im radialen Randbereich zu vermeiden, die in diesem Bereich zu erhöhtem Verschleiß beziehungsweise zu Zerstörungen der Oberflächen und gegebenenfalls der gesamten Teile führen können.

Damit schafft die Erfindung ein Hochdruck-Schaltventil, welches durch die Verwendung von harten und gegebenenfalls auch spröden Werkstoffen für Rotor und Stator in Verbindung mit dem Ermöglichen von Taumelbewegungen für den Rotor eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Standfestigkeit aufweist. Eine zusätzliche Beschichtung einer oder beider der Stirnflächen des Rotors beziehungsweise Stators kann sich zudem vorteilhaft in Bezug auf die Verschleißfestigkeit und die Reibwirkung zwischen den beiden Teilen auswirken. Eine ballige Ausbildung einer der beiden Stirnflächen führt zu einer weiter reduzierten Flächenpressung im radialen Randbereich und erhöht damit ebenfalls die Verschleißfestigkeit.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. In Ergänzung zu den vorstehend bereits skizzierten weiteren Möglichkeiten sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch der Stator so gelagert sein kann, dass dieser eine Taumelbewegung ausführen kann. In diesem Fall kann der Rotor in üblicher Weise konstruktiv ausgebildet sein.

Um eine entsprechend flexible Lagerung des Stators zu erreichen kann beispielsweise die Ausführungsform nach Fig. 3 so abgeändert werden, dass der Stator 1 12 nicht fest mit dem Gehäuseteil 120 verbunden wird, sondern über zwischen der Unterseite des äußeren Statorteils 1 12a und der ringförmigen Stirnfläche des Gehäuseteils 120 vorgesehene elastische, beispielsweise wiederum kissenartige Elemente. Damit kann der gesamte Stator 1 12 gegenüber dem Gehäuseteil 120 verkippt werden. Eine radiale Positionierung und axiale Befestigung des Stators 1 12 am Gehäuseteil 120 kann dann beispielsweise mittels eines weiteren Verbindungselements erfolgen. Dieses kann beispielsweise als Ringmutter ausgebildet sein, welche mit dem Teil 120 verschraubbar ist und welche mit einer oberen Schulter die Oberseite des Stators 1 12 beaufschlagt und diesen axial in Richtung auf das Gehäuseteil 120 drückt.

Des Weiteren kann zwischen dem inneren Statorteil 1 12b und dem äußeren Statorteil 1 12a auch eine dünne Schicht oder ein separates dünnes Element vorgesehen sein, welches derart elastisch oder plastisch verformbar ist, dass Toleranzen zwischen diesen Teilen oder Unebenheiten auf deren Oberflächen ausgeglichen werden können. Zudem kann hier eine Dichtwirkung beim Übergang zwischen den die Ports 1 18 bildenden Kanäle beim Übergang vom Teil 1 12b auf das Teil 1 12a bzw. umgekehrt erreicht werden.

Die Dicke der Schicht bzw. des separaten Teils und deren Elastizität können auch so gewählt werden, dass (bei aufrechterhalten der dichtenden Wirkung) das Teil 1 12b taumelbar im Teil 1 12a gelagert ist. Dabei darf sich das Teil 1 12b jedoch nicht, wie in Fig. 3 dargestellt, am Gehäuseteil 120 abstützen, sondern muss beweglich (jedoch ausreichend genau fixiert in Bezug auf Transversalbewegungen in der Ebene der Kontaktfläche ) im Teil 1 12a aufgenommen sein.

Der Rotor kann sowohl bei einer derartigen Ausführungsform als auch bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform zweiteilig ausgebildet sein, wobei ein die Rotorstirnseite bildendes inneres Teil aus hartem Material, wie Glas oder Keramik, in einem dieses Teil aufnehmenden äußeren Teil aus weicherem Material, wie z.B. Kunststoff, gehalten sein. Hierdurch kann bei einer komplizierteren Geometrie für das äußere Teil deren Herstellbarkeit vereinfacht und verbilligt werden.