Die Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung für einen mindestens zweistufigen Drucklufterzeuger. Ein solcher Druck- lufterzeuger, auch Kompressor genannt, umfasst einen flüssig keitsgekühlten Zwischenkühler, der zwischen einer ersten und einer zweiten Verdichterstufe angeordnet ist, um die von der ersten Verdichterstufe abgegebene vorverdichtete Luft zu kühlen, bevor diese in die zweite Verdichterstufe eintritt, sowie einen flüssigkeitsgekühlten Nachkühler, der nach der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist, um die von dieser verdichtete Luft zu kühlen. Weiterhin ist ein flüssigkeitsge kühlter Baugruppenkühler vorgesehen, der Wärme von weiteren Baugruppen des Drucklufterzeugers aufnimmt, um beispielsweise Leistungselektronik oder Antriebe und Getriebe der Verdichter stufen zu kühlen. Ein Kühlmittelkreislauf verläuft über einen Hauptkühler, dessen Kaltseite dem jeweiligen Kühlmitteleingang des Zwischenkühlers, des Nachkühlers und des Baugruppenkühlers ein Kühlmittel zuführt, und dessen Heißseite das am Kühlmit telausgang des Zwischenkühlers und des Nachkühlers austretende erwärmte Kühlmittel empfängt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung eines mindestens zweistufigen Drucklufterzeugers.

Zur Kompression von gasförmigen Medien, insbesondere zur

Erzeugung von Druckluft sind unterschiedlichste Bauformen von Kompressoren bekannt. Beispielsweise zeigt die

DE 601 17 821 T2 einen Mehrstufen-Schraubenverdichter mit zwei oder mehr Verdichterstufen, wobei jede Verdichterstufe ein Paar von Rotoren zum Verdichten eines Gases umfasst. Weiterhin sind zwei oder mehr Antriebsmittel mit veränderbarer Geschwin digkeit vorgesehen, wobei jedes Antriebsmittel eine jeweilige Verdichterstufe antreibt.

Die EP 2 886 862 Al beschreibt einen Kompressor mit einem Motor, einer Antriebswelle, einem mit dieser verbundenen

Kurbeltrieb, mindestens einer Drucklufterzeugungseinrichtung, einem Kurbelgehäuse und einem Druckluftspeicherbehälter . Die Kühlung sämtlicher Komponenten erfolgt mit Hilfe eines von einem Lüfterrad erzeugten Kühlluftstroms .

Aus der DE 10 2017 107 602 B3 ist eine Kompressoranlage bekannt mit einem Anlagen-Gehäuse, in welchem mehrere Wärme erzeugende Anlagenkomponenten angeordnet sind. Dazu gehört ein Doppel-Schraubenverdichter mit zwei Verdichterstufen, die der Verdichtung eines gasförmigen Mediums dienen, insbesondere der Erzeugung von Druckluft. Das Anlagen-Gehäuse enthält weiterhin einen Luft-Wasser-Kühler, ein Gebläse, welches einen Kühlluft strom erzeugt, sowie Luftleitelemente, welche die von den Anlagenkomponenten erwärmte Luft zu dem Luft-Wasser-Kühler führen .

Die EP 2 529 116 Bl beschreibt ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie bei der Verdichtung eines Gases durch einen

Verdichter mit zwei oder mehr Druckstufen. Stromabwärts vom Verdichter ist ein Wärmetauscher mit einem Primär- und einem Sekundärteil vorgesehen. Durch den Primärteil wird das aus einer Druckstufe verdichtete Gas geleitet; durch den Sekundär teil wird ein Kühlmittel geleitet.

Die WO 2015/172206 A9 zeigt einen Kompressor mit wenigstens zwei in Reihe liegenden Kompressionsstufen sowie wenigstens zwei Kühlern, nämlich einem Zwischenkühler zwischen den Kompressionsstufen und einem Nachkühler stromabwärts nach der letzten Kompressionsstufe. Wenigstens zwei der Kühler sind als aufgeteilte Kühler gestaltet, sodass die vom Kühlmittel durch strömte Sekundärseite in zwei Stufen unterteilt ist, um das auf der Primärseite durchströmende Gas in einer heißen und einer kühlen Stufe zu kühlen. Die beiden Stufen der Sekundär seite sind in unterschiedlichen Kühlkreisen zusammengeschal tet. Beispielsweise sind jeweils die ersten Stufen der mehre ren Kühler sowie jeweils die zweiten Stufen in Reihe geschal tet .

Die DE 31 34 844 Al beschreibt ein Verfahren zur energetischen Optimierung eines Verdichtungsprozesses, insbesondere für die mehrstufige Verdichtung mit Kreisel- und Kolbenverdichtern. Dafür ist eine Wärmepumpe ist in eine Verdichteranlage

integriert. Vorzugsweise werden in die das erwärmte Kühlwasser führenden Rohrleitungen der Kühlstufen mindestens ein

Verdampfer der Wärmepumpe eingebunden.

In der US 2018/0258952 Al ist ein Kompressormodul beschrieben, welches einen Kompressor mit einem Gehäuse mit integriertem Kompressorkühler umfasst. Gemäße einer Ausführungsform können zwei solcher Module miteinander kombiniert werden, sodass ein Niederdruck-Kompressormodul und ein Hochdruck-Kompressormodul in Reihe geschaltet sind. Jedes der beiden Kompressormodule besitzt einen flüssigkeitsgekühlten Kühler, der die

komprimierte Luft am Ausgang des Moduls kühlt. Weiterhin sind eine Motorkühler und ein Bauelementkühler vorgesehen, deren Kühlmittelkreislauf mit denjenigen der Kompressorkühler verbunden ist.

Generell ergibt sich bei derartigen Kompressoranlagen immer der Bedarf, mehr oder weniger große Wärmemengen abzuführen, um eine Überhitzung einzelner Komponenten bzw. der Gesamtanlage zu vermeiden. Die Gesamtanlage wird bislang regelmäßig durch Kühlluft gekühlt, wobei erwärmte Abluft zumeist ungenutzt in die Umwelt abgegeben wird. Die Wärme ist dann entweder verlo ren oder kann nur ineffizient aus der Abluft rückgewonnen werden. Einige Anlagen enthalten zusätzlich einen Wärmetau scher, dessen sekundäres Wärmetransportmedium Wärme aus einem primären Kühlkreislauf des Kompressors aufnimmt und abtrans portiert. Die abgeführte Wärme kann dann von einem externen Verbraucher genutzt erden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einerseits eine effiziente Kühlung solcher Drucklufterzeuger (Kompressoranlagen) sicherzustellen, unter Verringerung des gerätetechnischen Aufwands, anderer seits aber auch eine effizientere Wärmerückgewinnung in Bezug auf den gesamten Drucklufterzeuger zu gestatten.

Diese Aufgabe wird durch eine Kühlungsanordnung für einen mindestens zweistufigen Drucklufterzeuger gemäß dem beigefüg ten Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der

Kühlungsanordnung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 genannt. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Kühlung eines mindestens zweistufigen Drucklufterzeugers gemäß dem beigefügten Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 9 und 10 genannt.

Die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung ist zur Kühlung eines Drucklufterzeugers, vorzugsweise in der Art einer Kompressor anlage, mit mindestens zwei Verdichterstufen geeignet. Die Kühlungsanordnung umfasst mindestens einen flüssigkeitsgekühl ten Zwischenkühler, der zwischen einer ersten und einer zwei ten Verdichterstufe angeordnet ist, um die von der ersten Verdichterstufe abgegebene vorverdichtete Luft zu kühlen, bevor diese in die zweite Verdichterstufe eintritt. Ein flüs sigkeitsgekühlter Nachkühler ist nach der zweiten bzw. letzten Verdichterstufe angeordnet, um die weiter verdichtete Luft zu kühlen. Im einfachsten Fall wird die erzeugte Druckluft nach Durchströmen des Nachkühlers an externe Einheiten bereitge stellt. In Abwandlungen kann der Drucklufterzeuger auch mehr als zwei Verdichterstufen und entsprechend zusätzliche

Zwischenkühler aufweisen.

Weiterhin umfasst die Kühlungsanordnung einen flüssigkeitsge kühlten Baugruppenkühler, der Wärme von weiteren Baugruppen des Drucklufterzeugers aufnimmt und an das Kühlmittel abgibt. Der Baugruppenkühler ist, wie die anderen Kühler im Gehäuse des Drucklufterzeugers angeordnet und z. B. als Lamellenküh ler, Kühlblech, Heatpipe oder dergleichen ausgebildet. Der Baugruppenkühler kann aus mehreren einzelnen Kühlern zusammen gesetzt sein und dient der Wärmeabfuhr insbesondere von den Antrieben der Verdichterstufen sowie der Leistungselektronik, die für die Steuerung des Drucklufterzeugers benötigt wird.

Die Kühlungsanordnung besitzt einen Kühlmittelkreislauf, der einen Hauptkühler umfasst, um die vom Kühlmittel in den ande ren Kühlern aufgenommene Wärme aus dem Drucklufterzeuger abzu führen. Die Kaltseite des Hauptkühlers liefert gekühltes Kühl mittel mit einer Niedrigtemperatur direkt an den jeweiligen Kühlmitteleingang des Zwischenkühlers, des Nachkühlers und des Baugruppenkühlers. Die Kühlmitteleingänge von Zwischenküh ler (n) , Nachkühler und Baugruppenkühler (n) sind parallel geschaltet, sodass ihnen das Kühlmittel mit derselben Niedrig temperatur zugeführt wird. Die Heißseite des Hauptkühlers empfängt das erhitzte Kühlmittel unmittelbar vom jeweiligen Kühlmittelausgang des Zwischenkühlers (bzw. der mehreren Zwischenkühler) und des Nachkühlers oder mittelbar von diesen, wenn ein Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung zwischengeschal tet ist, wie dies weiter unten beschrieben wird. Die Kühlmit telausgänge von Zwischenkühler (n) und Nachkühler sind parallel geschaltet und liefern das erhitzte Kühlmittel mit einer Hoch temperatur zum Hauptkühler, ggf. über den Wärmetauscher.

Für die Erfindung ist wesentlich, dass der Kühlmittelausgang des Baugruppenkühlers nicht parallel mit dem Kühlmittelausgang des Zwischenkühlers oder Nachkühlers geschaltet ist. Dadurch wird vermieden, dass das Kühlmittel von der Hochtemperatur, die am Ausgang von Zwischen- und Nachkühler anliegt, durch die Beimischung aus dem Baugruppenkühler abgekühlt wird, denn der Baugruppenkühler liefert regelmäßig niedrigere Temperaturen des Kühlmittels, aufgrund der geringeren abzuführenden Wärme menge. Stattdessen wird das Kühlmittel des Baugruppenkühlers einem Zuspeiseeingang des Zwischenkühlers und/oder des Nach kühlers zugeführt, wobei der Zuspeiseeingang zwischen dem Kühlmitteleingang und Kühlmittelausgang angeordnet ist, an einer Position, an welcher die Zwischentemperatur des Kühlmit tels im Zwischenkühler bzw. Nachkühler der Austrittstemperatur des Kühlmittels am Baugruppenkühler ±20% entspricht. Vorzugs weise weicht die Temperatur des vom Baugruppenkühler zuge mischten Kühlmittels um weniger als ±10%, insbesondere um weniger als ±3% von der Temperatur am Punkt der Beimischung im Zwischen- oder Nachkühler ab.

Dasselbe Kühlmittel (vorzugsweise Wasser) wird somit für den Zwischenkühler, den Nachkühler und den Baugruppenkühler einge setzt. Damit kann nicht nur Wärme aus der verdichteten Druck luft sondern auch die Wärme von Baugruppen, z. B. Elektromoto ren, Umrichtern, Verdichterstufen, Getriebeeinheiten usw. im Kühlmittel angereichert und von diesem abtransportiert werden. Der größte Teil der Abwärme des gesamten Drucklufterzeugers steht damit auch für eine Wärmerückgewinnung zur Verfügung.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Hauptkühler deutlich kleiner ausgeführt werden kann, was zu einer erheblichen Verringerung der Baugröße des Kühlkreislau fes und damit der Gesamtkosten des Drucklufterzeugers führt. Aufgrund der beschriebenen gezielten Zuspeisung des vom

Baugruppenkühler mit der Zwischentemperatur gelieferten Kühl mittels in den Zwischenkühler und/oder Nachkühler, kann die Hochtemperatur, die am Ausgang des Zwischenkühlers und des Nachkühlers anliegt, auf einem hohen Niveau gehalten werden, vorzugsweise im Bereich von 90°C. Dies führt zu einer großen Temperaturdifferenz am Hauptkühler, sodass dessen Kühlfläche kleiner gehalten werden kann, als wenn die Eingangstemperatur am Hauptkühler geringer ausfällt. Die erforderliche Kühlfläche ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Eingangstem peratur (Hochtemperatur) und gewünschter Ausgangstemperatur (Niedrigtemperatur) .

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das vom

Baugruppenkühler gelieferte Kühlmittel sowohl dem Zwischenküh ler als auch dem Nachkühler über den jeweiligen Zuspeiseein gang zugeführt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der

Kühlungsanordnung ist ein Wärmetauscher im Kühlmittelkreislauf zwischen dem jeweiligen Kühlmittelausgang des Zwischenkühlers und des Nachkühlers sowie dem Kühlmitteleingang des Hauptküh lers eingeschaltet. Dem Wärmetauscher steht damit die gesamte dem Kühlmittel zugeführte Wärme für eine Übergabe an ein

Wärmeträgermedium zur Verfügung. Bevorzugt ist der Hauptkühler ein Wasser-Luft-Kühler oder ein Wasser-Wasser-Kühler oder ein Kombinationskühler, der Wasser und Luft wahlweise als kühlendes Medium nutzt. Damit steht es dem Nutzer des Drucklufterzeugers frei, ob er die Hauptkühlung mithilfe einer gebläseunterstützten Abluftkühlung oder durch Anschluss an ein externes Flüssigkühlmedium realisiert.

Es ist vorteilhaft, wenn der Zwischenkühler und/oder der Nach kühler mehrere Zuspeiseeingänge besitzen, denen das Kühlmittel vom Kühlmittelausgang des Baugruppenkühlers wahlweise zuführ- bar ist. Insbesondere ist zwischen dem Kühlmittelausgang des Baugruppenkühlers und den Zuspeiseeingängen eine Verteilerein heit angeordnet, die temperaturgesteuert denjenigen Zuspeise eingang versorgt, an welchem die Zwischentemperatur des Kühl mittels im Zwischenkühler bzw. Nachkühler der Austrittstempe- ratur des Kühlmittels am Baugruppenkühler am nächsten liegt.

Zweckmäßigerweise sind der Zwischenkühler, der Nachkühler, der Baugruppenkühler, der Wärmetauscher, die erste und zweite Verdichterstufe sowie eine elektronische Steuereinheit inner halb eines gemeinsamen Gerätegehäuses angeordnet. Die

Kühlungsanordnung ist damit integraler Bestandteil des Druck- lufterzeugers , sodass sich der Installationsaufwand beim

Nutzer auf ein Minimum beschränkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung eines mindestens zweistufigen Drucklufterzeugers umfasst folgende Schritte:

Führen eines Kühlmediums in einem Kühlmittelkreislauf durch einen Hauptkühler und durch einen zum Hauptkühler in Reihe geschalteten ersten flüssigkeitsgekühlten Zwischenkühler, der damit von einer ersten Verdichter stufe vorverdichte Luft kühlt; Führen des Kühlmediums in dem Kühlmittelkreislauf durch einen zum Hauptkühler ebenfalls in Reihe und zum Zwischenkühler parallel geschalteten Nachkühler, der damit von einer zweiten Verdichterstufe nachverdichtete Luft kühlt;

Zuführen des im Hauptkühler gekühlten Kühlmediums zu einem flüssigkeitsgekühlten Baugruppenkühler, der Wärme von weiteren Baugruppen des Drucklufterzeugers aufnimmt; Zuspeisen des vom Baugruppenkühler abgegebenen, erhitz ten Kühlmediums über einen Zuspeiseeingang in den Zwischenkühler und/oder in den Nachkühler, wobei die Zuspeisung an einer Position im Zwischenkühler bzw. im Nachkühler erfolgt, an welcher die Zwischentemperatur des Kühlmittels im Zwischenkühler bzw. Nachkühler der Austrittstemperatur des Kühlmittels am Baugruppenkühler ±20% entspricht, vorzugsweise diese beiden Temperaturen im Wesentlichen gleich sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh rungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Kühlungsanordnung mit deaktivierter Wärmerückgewin nung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Kühlungsanordnung mit

aktivierter Wärmerückgewinnung.

Fig. 1 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild eines Druckluft erzeugers 01 bzw. einer Kompressoranlage. Das Blockschaltbild umfasst vor allem die wesentlichen Elemente einer Kühlungsan ordnung und vernachlässigt andere Einheiten des Drucklufter- zeugers. Der Drucklufterzeuger umfasst mindestens eine erste Verdichterstufe 02 und eine zweite Verdichterstufe 03. Die in der ersten Verdichterstufe 01 vorverdichtete Luft wird mit einer Temperatur von beispielsweise 200°C einem Zwischenkühler 04 zur Kühlung zugeführt und verlässt diesen mit etwa 50°C, um dann von der zweiten Verdichterstufe 03 weiter verdichtet zu werden. Die endverdichtete Druckluft verlässt die zweite

Verdichterstufe 03 mit einer Temperatur von etwa 200°C und wird dann einem Nachkühler 05 zu erneuten Kühlung zugeführt, sodass die Druckluft schließlich mit etwa 50°C an externe Einheiten geliefert wird. Zur Wärmeabfuhr liefert ein Haupt kühler 07 ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlwasser an seiner Kaltseite mit einer Temperatur von beispielsweise 45°C. Das Kühlwasser A wird mit dieser Niedrigtemperatur parallel an den Zufluss des Zwischenkühlers 04, des Nachkühlers 05 und eines Baugruppenkühlers 08 geliefert. Das Kühlwasser durchströmt den Zwischenkühler 04 und den Nachkühler 05 zur Aufnahme der Wärme der Druckluft und wird mit einer Hochtemperatur von beispiels weise 90°C an die Heißseite des Hauptkühlers 07 zurück gelie fert. Zuvor durchströmt das Kühlwasser bei der dargestellten Bauform noch einen Wärmetauscher 09, der in Fig. 1 aber deak tiviert ist, sodass die Kühlwassertemperatur am Eingang und Ausgang des Wärmetauschers 09 nahezu unverändert ist. Am

Hauptkühler 07 wird die Wärme abgegeben, um das Kühlwasser wieder auf Niedrigtemperatur zu bringen. Die Kühlung wird beispielsweise unterstützt durch ein Gebläse 11, welches eine erwärmte Abluft mit einer Temperatur von beispielsweise 40°C abgibt .

Eine Besonderheit der Kühlungsanordnung besteht darin, dass das Kühlwasser nach Durchströmen des Baugruppenkühlers 08 nicht parallel zum Kühlwasser des Zwischenkühlers und des Nachkühlers direkt zum Hauptkühler 07 bzw. zum vorgeschalteten Wärmetauscher 09 geführt wird. Stattdessen ist der Kühlwasser auslass des Baugruppenkühlers jeweils an einen Zuspeiseeingang 12 am Zwischenkühler 04 und am Nachkühler 05 angeschlossen.

Der Zuspeiseeingang 12 kann alternativ auch nur an einem der beiden Kühler 04, 05 vorgesehen sein und ist in seiner Posi tion so gewählt, dass dort im Kühler 04, 05 eine Zwischentem peratur von beispielsweise 57°C herrscht. Die Zwischentempera tur soll im Wesentlichen der Ausgangstemperatur des Kühlwas sers B, welches vom Baugruppenkühler 08 geliefert wird, entsprechen. Das Kühlwasser B wird somit dem Kühlwasser A im

Zwischenkühler 04 und/oder im Nachkühler 05 wieder beigemischt und dort weiter auf die Hochtemperatur erwärmt.

Fig. 2 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild des Drucklufter- zeugers 01 bzw. der Kompressoranlage in einem veränderten

Betriebszustand, nämlich mit aktivierter Wärmerückgewinnung am Wärmetauscher 09. Damit kommt es am Wärmetauscher 09 zu einem Temperaturabfall des erhitzten Kühlwassers von beispielsweise 90 °C auf 50 °C. Die entnommene Wärme steht für andere Anwendun gen zur Verfügung, beispielsweise zu Heizzwecken.

Bezugs zeichenliste

01 Drucklufterzeuger / Kompressoranlage 02 erste Verdichterstufe

03 zweite Verdichterstufe

04 Zwischenkühler

05 Nachkühler

06

07 Hauptkühler

08 Baugruppenkühler

09 Wärmetauscher

10

11 Gebläse

12 Zuspeiseeingang