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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Gespann mit einer Zugmaschine und einem Anhänger, wobei die Zugmaschine ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Leistung aus Wasserstoff aufweist, und mit einem Wasserstoffspeicher zumindest in dem Anhänger.
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Das Fahrzeug-Gespann soll über ein Brennstoffzellensystem in der Zugmaschine verfügen, welches elektrische Leistung bereitstellt. Diese elektrische Leistung soll insbesondere zum Antrieb des Fahrzeug-Gespanns genutzt werden. In der Praxis ist es so, dass für ein derartiges Fahrzeug-Gespann mit den entsprechend hohen Gewichten eines solchen Gespanns einschließlich Zuladung entsprechend große Mengen an Wasserstoff notwendig sind, um die notwendige elektrische Leistung über die gewohnten Strecken der Reichweite zu erzeugen. Daher wird häufig auf flüssigen Wasserstoff gesetzt, welcher mit einer höheren Energiedichte gespeichert werden kann, als komprimierter Wasserstoff. Allerdings sind bei flüssigem Wasserstoff immer die erforderliche niedrige Temperatur und die bei der Erwärmung entstehenden Abdampfverluste ein gravierender Nachteil.
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Der Stand der Technik in Form der
US 2005/0212281 A1 beschreibt ein Fahrzeug-Gespann mit einer Zugmaschine und einem Anhänger, bei welchem zwischen dem eigentlichen zum Transport der Ladung vorgesehenen Anhänger und der Zugmaschine ein zusätzlicher Anhänger angeordnet wird, welcher einen Wasserstoffspeicher vorsieht. Der Aufbau hat dabei den Nachteil, dass der zusätzliche Anhänger notwendig ist. Ist die Gesamtlänge eines Fahrzeug-Gespanns reglementiert, wie es beispielsweise in Europa der Fall ist, erfordert auch der zusätzliche in der US-Schrift beschriebene Anhänger eine Verkürzung des für den Transport der Waren vorgesehen Anhängers, sodass ein gravierender wirtschaftlicher Nachteil entsteht.
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Darüber hinaus ist es so, dass der Aufbau vergleichsweise unsicher im Falle eines Unfalls ist, da die Wasserstofftanks vergleichbar wie die Warenladung des Fahrzeug-Gespanns ungeschützt auf der Ladefläche des Anhängers oder eines zwischengehängten Zusatzanhängers liegen. Im Falle eines Unfalls kann es so sehr leicht zu einer Beschädigung des Wasserstoffspeichers mit den dann auftretenden Folgen, wie beispielsweise einem Brand oder im schlimmsten Fall einer Explosion, kommen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Fahrzeug-Gespann gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gegenüber dem Stand der Technik weiterzubilden, sodass ein sichereres und wirtschaftlich weitgehend uneingeschränkt nutzbares Fahrzeug-Gespann möglich wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug-Gespann mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug-Gespann ist es vorgesehen, dass der Anhänger als sogenannter Innenlader ausgebildet ist. Er hat also zusätzlichen Bauraum zwischen den Rädern und typischerweise erstreckt sich dieser zusätzliche Bauraum in Fahrtrichtung über die Räder hinaus insbesondere in Richtung des Zugfahrzeugs. Er ist von einem im Wesentlichen U-förmigen Rahmen umgeben, welcher sich zum Bereich der Anhängevorrichtung hin verjüngt oder als ein Balken weiterläuft. Dieser Rahmen wird wegen seiner Form in der Ansicht von oben auch als „Stimmgabel“ bezeichnet. Die Erfinder haben nun erkannt, dass eine Anordnung des Wasserstoffspeichers zwischen den Rädern und innerhalb dieser Stimmgabel sowie eine Medienverbindung von diesem Wasserstoffspeicher zur Zugmaschine eine sehr gute und sichere Lösung darstellt. Gegenüber herkömmlichen Anhängern verliert der Aufbau praktisch keinen Bauraum auf der eigentlichen Ladefläche, da diese typischerweise eben und oberhalb der Räder ausgebildet ist, was bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug-Gespann analog erfolgten kann. Durch die Anordnung zwischen den Rädern und innerhalb der sogenannten Stimmgabel, also einem besonders stabilen Teil des Rahmens des Anhängers, ist zudem ein hervorragender Schutz des Wasserstoffspeichers gewährleistet. Er ist so im Falle eines Unfalls durch die Räder und die Stimmgabel sehr gut geschützt und wird bei einem Großteil der auftretenden Unfallszenarien typischerweise nicht gravierend beschädigt.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeug-Gespanns ist ein weiterer kleinerer Wasserstoffspeicher in der Zugmaschine vorhanden. Ein solcher Wasserstoffspeicher in der Zugmaschine ergänzend zu dem größeren Wasserstoffspeicher im Bereich Anhängers ermöglicht es, die Gesamtreichweite des Fahrzeug-Gespanns weiter zu erhöhen und erlaubt auch bei abgekoppeltem Anhänger eine Fahrt der Zugmaschine alleine mittels der Brennstoffzelle, zumindest für die durch den kleineren Wasserstoffspeicher vorgegebene Reichweite. In der Praxis ist dies typischerweise ausreichend weil Fahrten ohne den Anhänger im Allgemeinen eher kurz sind, während die langen Fahrstrecken bei einem Fahrzeug-Gespann typischerweise mit dem Anhänger durchgeführt werden.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es dabei vor, dass der Wasserstoffspeicher in der Zugmaschine als Cryo-Speicher oder Cryo-Druck Speicher ausgebildet ist.
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In einem Cryo-Speicher wird Wasserstoff bei sehr niedrigen Temperaturen flüssig gespeichert. Hierdurch ist eine vergleichsweise hohe Energiedichte zu erzielen. Dies hat insbesondere bei dem kleinen Speicher der Zugmaschine den Vorteil, dass trotz des eher kleinen Speichervolumens eine eher große Reichweite realisiert werden kann. Dabei liegen in einem solchen Speicher typischerweise Drücke von bis zu 2 MPa vor. Die Temperaturen des gespeicherten Wasserstoffs liegen bei -260°C bis -240°C. In der Praxis ist es dabei so, dass aus einem Cryo-Speicher immer gewisse Teile des Wasserstoffs abdampfen, da die Isolierung des Cryo-Speichers zumindest über einen längeren Zeitraum hinweg die Temperatur in dem Cryo-Speicher nicht aufrechterhalten kann. Dieser abgedampfte Wasserstoff kann in der Zugmaschine, in welcher auch das Brennstoffzellensystem angeordnet ist, dann der Brennstoffzelle zugeführt werden und kann dort abreagieren, sodass keine Wasserstoffemissionen in die Umgebung entstehen und der abgedampfte Wasserstoff gegebenenfalls noch zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden kann, beispielsweise zum Laden einer Batterie oder zum Betrieb von Elektronikkomponenten in der Zugmaschine im Stillstand.
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In einem Cryo-Druck-Speicher wird dagegen kryogenes Gas bei Drücken von bis zu 70 MPa, typischerweise bis zu etwa 35MPa, gespeichert. Auch hier liegen die Temperaturen bei -260°C bis -240°C.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es ferner vor, dass der Wasserstoffspeicher im Anhänger als Druckgasspeicher ausgebildet ist. Ein solcher Druckgasspeicher aus einem oder vorzugsweise mehreren Druckgasbehältern oder druckresistenten Rohren oder andersartigen Volumina erlaubt zwar keine so hohe Energiedichte wie ein Cryo-Speicher. Er ist jedoch sehr viel weniger anfällig gegen das Abdampfen und durch Undichtheiten ausströmenden Wasserstoff, was beim Einsatz in dem Anhänger ein entscheidender Vorteil ist, da hier das Brennstoffzellensystem nicht zwingend, beispielsweise während des Stillstands des Anhängers, angekoppelt ist und so abdampfender Wasserstoff nicht verwendet werden könnte. Er gelänge dann als Emission an die Umgebung, was höchst unerwünscht ist. Darüber hinaus ist es so, dass bei der speziellen Anordnung zwischen den Rädern des prinzipiell als Innenlader konzipierten Anhängers, welcher jedoch wie ein herkömmlicher Anhänger genutzt wird, ein so großes Volumen zur Verfügung steht, dass auch eine Speicherung in Druckgasbehältern, beispielsweise in mehreren Druckgasbehältern bei einem Nenndruck von 35 MPa oder auch 70 MPa, für eine relativ große Energiemenge ausreichend ist.
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Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung dieser Idee sieht es ferner vor, dass der Nenndruck der Medienverbindung unter dem Nenndruck des Druckgasspeichers im Anhänger liegt. Die Medienverbindung, welche bei dieser Idee und bei der Verwendung von entsprechend hohen Drücken entsprechend kritisch sein könnte, wird also auf einem niedrigeren Druckniveau aufgebaut, als dem Nenndruck des Druckgasspeichers. Liegt dieser beispielsweise bei 35 bis 70 MPa, dann kann der Nenndruck der Medienverbindung dahingegen im sogenannten Mitteldruckbereich bei beispielsweise 1000 bis 3000 kPa liegen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeug-Gespanns kann es nun außerdem vorsehen sein, dass der Anhänger einen Produktwasserspeicher für Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystem aufweist. Das Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystem muss beispielsweise an die Umgebung abgeführt werden. Beim relativ hohen Energiebedarf eines Fahrzeug-Gespanns, wie beispielsweise einer Zugmaschine und eines Anhängers bzw. Trailers, mit einem gesamten zulässigen Gesamtgewicht von 40 t fällt relativ viel Produktwasser an, welches so nicht wie bei den sehr viel kleineren Pkw einfach in die Umgebung abgegeben werden kann. Es kann bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Fahrzeug-Gespanns dann über eine weitere Medienleitung in den Bereich des Anhängers geleitet und dort in dem Produktwasserspeicher gespeichert werden. Die Medienverbindung ist dabei insbesondere als Medieninterface ausgebildet, welches verschiedene später noch beschriebene Schnittstellen und Aufgaben wahrnehmen kann.
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Der Produktwasserspeicher in dem Anhänger kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee dabei als Wärmepufferspeicher in thermischem Kontakt zu einem Kühlmedium des Brennstoffzellensystems und dem Wasserstoffspeicher ausgebildet sein. Ein solcher Pufferspeicher kann beispielsweise das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems entlasten, wenn viel Abwärme anfällt, beispielsweise bei einer langsamen Bergauffahrt, welche ein kritisches Szenario für die Kühlung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug-Gespann darstellt. In dieser Situation kann das Kühlsystem entlastet werden, indem Wärme in dem Wärmepufferspeicher aufgenommen wird. Diese Wärme kann dann zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben werden, beispielsweise wenn es aufgrund der Fahreigenschaften aktuell möglich ist, oder sogar wenn Wärme benötigt wird, beispielsweise zum Aufheizen des Systems oder insbesondere zum Aufheizen der Druckgasbehälter, da diese sich bei einer Entnahme eines entsprechend hohen Volumenstroms durch die Entspannung des Volumenstroms vom Druckniveau der Druckgasbehälter auf das Druckniveau der Brennstoffzelle abkühlen. Um diesem Effekt zumindest insoweit entgegenzuwirken, als dass eingesetzte Bauteile wie Dichtungen, Leitungsverbindungen und dergleichen oberhalb einer kritischen Grenztemperatur von typischerweise ca. -40° C bleiben, kann die Wärme in dem Wärmepufferspeicher zum Erwärmen der Druckgasbehälter und des darin befindlichen Wasserstoffs genutzt werden.
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Wie weiter oben bereits angedeutet, kann die Verbindung zwischen dem Anhänger und der Zugmaschine über ein schmutzgeschütztes Medieninterface realisiert sein, welches zur Medienübergabestelle für Wasserstoff, elektronische Steuersignale und optional Kühlmedien und/oder Wärme, elektrische Leistung, Produktwasser und/oder Druckluft wird. Somit können in einem einzigen Medieninterface zumindest der Wasserstoff und elektronische Steuersignale sowie optional weitere Medien zwischen der Zugmaschine und dem Anhänger transferiert werden. Dies kann insbesondere neben den für den Betrieb des Brennstoffzellensystems und des Druckgasspeichers wichtigen Medien und Informationen auch Medien umfassen, welche zum herkömmlichen Betrieb des Fahrzeug-Gespanns notwendig sind, beispielsweise eine Übergabeleitung für Druckluft zum Betrieb der pneumatischen Bremsen des Anhängers, wie es auch bei herkömmlichen Fahrzeug-Gespannen üblich ist. Durch die Zusammenfassung all dieser Medienübergabestellen in das eine schmutzgeschützte Medieninterface wird der Anschluss des Anhängers nach dem Ankoppeln an die Zugmaschine deutlich vereinfacht.
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Ferner ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee auch möglich, Funktionskomponenten des Brennstoffzellensystems und/oder der Zugmaschine in Nischenräumen um den Wasserstoffspeicher im Anhänger anzuordnen. Sind beispielsweise mehrere Druckgasbehälter in dem Anhänger angeordnet, so sind diese typischerweise rohrförmig ausgebildet. Zwischen ihnen verbleiben entsprechende Nischenräume im Unterbau des als Innenlader ausgebildeten Anhängers. Diese können, wie oben bereits angedeutet, für die Speicherung von Produktwasser in einem Produktwasserspeicher bzw. Wärmepufferspeicher genutzt werden. Darüber hinaus ist es möglich, weitere Funktionskomponenten des Brennstoffzellensystems hier unterzubringen. Dies kann beispielsweise eine Einheit zur Druckminderung umfassen, welche den Druck aus den Druckgasbehältern auf das gewünschte Druckniveau der Medienverbindung absenkt. Hier können beispielsweise das Druckpotenzial nutzende Baueinheiten vorgesehen sein, beispielsweise Turbinen oder volumetrisch arbeitende Expansionsmaschinen, welche einen Generator antreiben, dessen elektrische Energie dann wiederum der Zugmaschine zur Verfügung gestellt werden kann. Auch weitere Komponenten sind für eine Anordnung im Anhänger geeignet, beispielsweise elektrische Energiespeicher wie Batterien, Kondensatoren oder dergleichen, welche elektrische Überschussenergie aufnehmen können, und welche bei Bedarf elektrische Leistung bereitstellen können, beispielsweise wenn die Brennstoffzelle die gewünschte elektrische Leistung aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Dynamik nicht ausreichend schnell zur Verfügung stellen kann. Weitere Elemente können beispielsweise Druckluftkompressoren, Luftpresser, Medienpumpen oder ähnliches sein, welche entsprechend in den Anhänger verlagert werden, um Gewicht und Bauraum im Bereich der Zugmaschine einzusparen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeug-Gespanns ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform eines Fahrzeug-Gespanns gemäß der Erfindung;
- 2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung gemäß der Linie II - II in 1; und,
- 3 eine prinzipmäßige Draufsicht auf den Unterbau des Anhängers.
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In der Darstellung der 1 ist prinzipmäßig angedeutet ein Fahrzeug-Gespann 1 dargestellt. Es umfasst eine mit 2 bezeichnete Zugmaschine sowie einen mit 3 bezeichneten Anhänger, welcher auch als Auflieger oder Trailer bezeichnet wird. Das Fahrzeug-Gespann 1 soll im Bereich der Zugmaschine 2 ein angedeutetes mit 4 bezeichnetes Brennstoffzellensystem aufweisen, über welches die elektrische Antriebsleistung für den Antrieb des Fahrzeug-Gespanns 1 zur Verfügung gestellt wird. Das Brennstoffzellensystem 4 ist außerdem mit einem in der Zugmaschine 2 angeordneten Wasserstoffspeicher 5 verbunden, welcher beispielsweise in dem Bereich angeordnet ist, in dem bei herkömmlichen Zugmaschinen die Kraftstofftanks positioniert sind. Bei diesem Wasserstoffspeicher 5 der Zugmaschine 2 soll es sich dabei um einen Cryo-Speicher handeln, also einen Speicher für abgekühlten flüssigen Wasserstoff, welcher dementsprechend isoliert und selbst als Isoliergefäß, ausgebildet ist.
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Die Besonderheit des Fahrzeug-Gespanns 1 steckt nun im Bereich seines Anhängers 2. Dieser Anhänger ist dabei als sogenannter Innenlader ausgebildet, welcher typischerweise für seine Räder 6 eine Einzelradaufhängung aufweist, welche an einem in 3 erkennbaren Rahmen 7, welcher aufgrund seiner Form auch als Stimmgabel bezeichnet wird, aufgehängt ist. Dieser Rahmen hat zumindest zwei in Fahrtrichtung F verlaufende Längsstreben 8, welche über eine vordere Querstrebe 9 miteinander verbunden sind und dann in eine weitere zentrale Längsstrebe 10 übergehen. In diesem Bereich ist dann die Anhängevorrichtung des Anhängers 3 an der Zugmaschine 2 vorgesehen. Die Streben liegen also nicht zwingend in einer Ebene. Der Rahmen 7 kann außerdem einen optionalen den Aufbau in der Darstellung der 3 nach hinten abschließenden Querträger 11 aufweisen. Anders als bei herkömmlichen Innenladern, die auf einen solchen Querträger 11 in jedem Fall verzichten und häufig eine in der Höhe bewegbare Ladefläche innerhalb der Stimmgabel bzw. zwischen den Rädern 6 aufweisen, soll dies hier nicht der Fall sein. Vielmehr wird der zusätzliche Bauraum, welcher durch die Einzelradaufhängung der Räder 6 des Anhängers 3 in der Bauform als Innenlader erzielt wird, für einen Wasserstoffspeicher 12 in dem Anhänger verwendet. Dieser ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Druckgasbehältern 12a, 12b ausgebildet, wie es in den 2 und 3 zu erkennen ist. Diese Druckgasbehälter verlaufen mit ihrer axialen Ausdehnung in Fahrtrichtung F und füllen den Raum innerhalb des Rahmens 7 entsprechend aus. Sie sind, insbesondere beim Einsatz eines Querträgers 11, im Falle eines Unfalls somit gut geschützt. Der sichere Schutz erlaubt den Einsatz von Druckgasbehältern 12a, 12b mit beispielsweise 35 MPa oder auch bis zu 70 MPa Nenndruck. Die Druckgasbehälter 12a, 12b sind entsprechend groß ausgeführt, da im Unterbau des als Innenlader ausgeführten Anhängers entsprechend viel Platz zur Verfügung steht. Vorzugsweise wird das Druckniveau aus den beiden Druckgasbehältern 12a, 12b des Wasserstoffspeichers 12 auf ein Mitteldruckniveau von beispielsweise 1500 kPa reduziert, bevor der Wasserstoff über eine in 1 angedeutete Medienverbindung 13 zu der Zugmaschine 2 geleitet wird.
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Im Bereich der Anbindung an die Zugmaschine 2 und/oder des Anhängers 3 kann dabei ein Medieninterface 14 vorgesehen sein. Über dieses Medieninterface 14 wird vorzugsweise schmutzgeschützt und einfach zu koppeln eine Medien- und Informationsverbindung für Wasserstoff, vorzugsweise auf einem Mitteldruckniveau von 1500 kPa, aufgebaut. Außerdem kann Kühlwasser bzw. Abwärme des Brennstoffzellensystems 4 in dem Zugfahrzeug mit übergeben werden. Diese lässt sich dann in einem Produktwasserspeicher 15, welcher in 2 im Schnitt angedeutet ist, entsprechend speichern und kann dort außerdem als Wärmepufferspeicher Verwendung finden. Das Produktwasser kann bei der nächsten Betankung des Fahrzeug-Gespanns 1 abgelassen werden und vorhandenes Produktwasser kann außerdem genutzt werden, um thermische Energie aufzunehmen und so ein Kühlsystem des Brennstoffzellensystems 4 bei Bedarf zu entlasten. Außerdem ist es möglich, durch einen thermischen Kontakt zwischen den Druckgasbehältern 12a, 12b und dem Produktwasserspeicher 15 diesen zu verwenden, um den Wasserstoff zu erwärmen, sodass dieser auch mit hohem Volumenstrom aus den Druckgasbehältern 12a, 12b entnommen werden kann, ohne dass sich der Wasserstoff und die mit ihm in Verbindung stehenden Komponenten zu weit abkühlen.
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Darüber hinaus werden elektrische Steuersignale über das Medieninterface übertragen, insbesondere Signale zur Kommunikation beispielsweise über einen CAN-Bus oder ähnliches. Ferner können Energien beispielsweise im Bereich der Niederspannung oder auch der Hochspannung mit übertragen werden. Dies kann beispielsweise in der Art erfolgen, dass beim Entspannen des Wasserstoffs aus den Druckgasbehältern eine Turbine oder dergleichen eingesetzt wird, welche einen Generator antreibt. In diesem Fall kann elektrische Leistung auf dem sogenannten Hochvoltniveau von dem Anhänger 3 zu der Zugmaschine 2 übertragen werden. Vergleichbares gilt, wenn beispielsweise in den verbleibenden Zwischenräumen zwischen den Druckgasbehältern 12a, 12b des als Innenlader ausgebildeten Anhängers 3 weitere Komponenten angeordnet werden. Diese Komponenten sind in der Darstellung der 2 angedeutet und pauschal mit dem Bezugszeichen 16 versehen. Sie können beispielsweise Batterien, Wärmetauscher und ähnliches umfassen, welche dann über das Medieninterface 14 mit angeschlossen werden können. Die Anbindung der Medienleitung kann dabei insbesondere über flexible aber druckfeste Leitungen wie Metallfaltenbälge oder dergleichen erfolgen.
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Darüber hinaus ist es so, dass das Medieninterface 14 außerdem eine Übergabestelle für Druckluft aufweisen kann, welche zum Betrieb der Bremsen des Anhängers 3 typischerweise notwendig ist. Anstelle einer parallelen Übergabe über Anschlusselemente wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, lässt sich auch die Übergabe der Druckluft mit in den Bereich des Medieninterfaces 14 integrieren, sodass ein außerordentlich einfacher und effizienter Aufbau entsteht, bei welchem der Anhänger 3 lediglich an der Zugmaschine 2 angekoppelt und das Medieninterface 14 verbunden werden muss. Auf die Verbindung weiterer Leitungen und dergleichen kann dann verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0212281 A1 [0003]
