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Die Erfindung betrifft eine Lüftungseinrichtung für den Einsatz in der Reinraumtechnik nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Zahlreiche Produktionsprozesse werden aus verschiedenen Gründen in abgeschlossenen Bereichen unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Diese Bereiche (einzelne Räume, Raumgruppen oder gesamte Gebäude) sind kontrollierte Bereiche da durch technische Einrichtungen je nach Erfordemis des Produktionsprozesses verschiedene Parameter gezielt beeinflusst werden. Beispielhaft können dies Lufttemperatur, Luftfeuchte, Differenzdruck, Partikel- und Keimzahl sein. Diese kontrollierten Bereiche können allgemein als Reinräume bezeichnet und entsprechend der zulässigen Partikel- und Keimzahlen klassifiziert werden.
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Die wesentliche Aufgabe eines Lüftungssystems für Reinraumbereiche besteht in der Aufrechterhaltung eines oder mehrerer eindeutig zu definierender Zustände, charakterisiert durch Vorgabewerte für z. B. Temperatur, Feuchte und Druck sowie der Einhaltung der zulässigen Partikel- und Keimzahlen. Das Lüftungssystem muss die Einhaltung der Vorgabewerte trotz auftretender Störgrößen, wie z. B. veränderlicher Wärme-, Feuchte- und Stofflasten gewährleisten.
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In Reinräumen werden überwiegend die folgenden Anlagenkonzepte angewendet.
- 1. Belüftung des Reinraumes mittels kompakter Filter-Ventilator-Einheiten bei vollflächiger oder teilweiser Belegung der Decke des belüfteten Bereiches mit Filtereinheiten.
- Die Aufbereitung der benötigten Frischluftmenge erfolgt hierbei in einem Lüftungs-Zentralgerät. In einem oberhalb der Raumdecke befindlichen Mischluftplenum wird die aufbereitete Frischluft mit der Umluft gemischt und wieder von den Filter-Ventilator-Einheiten angesaugt, gefiltert und in den Raum gepresst.
- Bei Erfordernis können die Filter-Ventilator-Einheiten mit je einem Kühlregister ausgestattet werden um Wärmelasten im Raum zu kompensieren.
- • Vorteile:
- – geringe Kosten für Lüftungszentralgerät und Kanalnetz wegen kleiner Luftmenge
- – geringer Raumbedarf für Lüftungszentralgerät und Kanalnetz wegen kleiner Luftmenge
- – geringer Elektroenergieaufwand für Lufttransport wegen kleiner Luftmenge
- • Nachteile:
- – Plenum erforderlich (Raumbedarf, Kosten für Plenumwand, -decke)
- – limitierte Kühlleistung (durch Abmessungen des Ansaugflansches der Filter-Ventilator-Einheiten)
- – ungleichmäßige Raumdurchspülung bei teilweiser Deckenbelegung
- 2. Belüftung des Reinraumes über Drallauslässe mit oder ohne eingebaute Schwebstofffilterung in der Decke des belüfteten Bereiches.
- Die Aufbereitung der gesamten Zuluftmenge, bestehend aus Frischluft und Umluftanteil erfolgt hierbei in einem Lüftungs-Zentralgerät. Die gesamte Luftmenge wird über ein Kanalnetz von den einzelnen Abluftöffnungen zum zentralen Lüftungsgerät geführt, dort aufbereitet und über das Zuluftkanalnetz zu den Zuluftöffnungen geführt und zurück in den Raum gepresst.
- • Vorteile:
- – kein Plenum erforderlich
- – Höhere Kühlleistungen möglich
- • Nachteile:
- – gesamte Luftmenge im Kanalnetz (hohe Kosten für Kanalbauteile, Installationsraum, hoher Elektroenergieaufwand für Luftförderung)
- – gesamte Luftmenge im Zentralgerät (hohe Kosten für Lüftungs-Zentralgerät)
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die gattungsgemäße Lüftungseinrichtung so auszubilden, dass die erforderlichen Luftbehandlungsfunktionen je nach Bedarf individuell in einem Kompaktgerät kombiniert werden können. Durch die Kombination unterschiedlicher Funktionsmodule können die Funktionen jedes einzelnen Gerätes dem jeweiligen Bedarf angepasst werden. Auch bereits installierte Geräte können nachträglich aufgerüstet und um zusätzliche Funktionen erweitert werden. Die Aufbereitung der Zuluft kann somit entsprechend der individuellen Anforderungen des einzelnen Raumes dezentral in unmittelbarer Nähe des jeweiligen Reinraumes mit minimalem Energieaufwand für die Luftförderung erfolgen. Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Lüftungseinrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Lüftungseinrichtung sind alle für die Luftbehandlung benötigten Bauteile in separaten Funktionsmodulen angeordnet, welche zu einem kompakten Gerät kombiniert werden können. Die Zusammenstellung der Funktionsmodule erfolgt entsprechend des individuellen Bedarfs. Nicht benötigte Funktionsmodule werden nicht installiert und verursachen somit auch keine Druckverluste. Ein zusätzliches Kanalnetz ist nicht erforderlich. Damit verbundene Druckverluste fallen systembedingt nicht an. Die Einbringung der Zuluft in den Reinraum erfolgt über einen Drallauslass welcher aus den symmetrisch um eine Rückluftöffnung herum angeordneten Lamellenschlitzen gebildet wird. Die Reduzierung der Druckverluste innerhalb des Systems ermöglicht die Einsparung von Elektroenergie.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand einer bevorzugten Konfiguration näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen senkrechten Schnitt in Richtung 1-1 durch das Zentrum einer erfindungsgemäßen Lüftungseinrichtung
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2 einen senkrechten Schnitt in Richtung 2-2 durch eine erfindungsgemäße Lüftungseinrichtung
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3 eine Draufsicht als horizontaler Schnitt durch die erfindungsgemäße Lüftungseinrichtung. Die Schnittebene liegt auf Ebene A-A direkt unterhalb des Überdruckplenums (2.1) und zeigt die zentral angeordnete Rückluftöffnung (1.1) und den radialsymmetrisch umlaufenden Drallauslass (1.2).
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4 eine Draufsicht als horizontaler Schnitt durch die erfindungsgemäße Lüftungseinrichtung. Die Schnittebene liegt auf Ebene B-B im Bereich des Überdruckplenums (2.1) und zeigt den direkt an die Rückluftöffnung angeschlossenen Rückluftschacht (6.1) und das umlaufende Überdruckplenum (2.1).
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5 eine Draufsicht als horizontaler Schnitt durch die erfindungsgemäße Lüftungseinrichtung. Die Schnittebene liegt auf Ebene C-C oberhalb des Überdruckplenums (2.1) und zeigt den im Rückluftschacht (6.1) angeordneten Vorfilter (3.1) und paarig angeordnete Hauptfilter (3.2).
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6 eine Draufsicht als horizontaler Schnitt durch die erfindungsgemäße Lüftungseinrichtung. Die Schnittebene liegt auf Ebene D-D und zeigt die zentral gelegene Fortluftkammer (4.1), den Fortluftanschluss (4.5) und paarig angeordnete Ventilatoren (4.4).
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7 eine Draufsicht als horizontaler Schnitt durch die erfindungsgemäße Lüftungseinrichtung. Die Schnittebene liegt auf Ebene E-E und zeigt die zentral gelegene selbsttätige Rückströmsicherung (4.2) und paarig angeordnete Ventilatoren (4.4).
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8 eine Draufsicht als horizontaler Schnitt durch die erfindungsgemäße Lüftungseinrichtung. Die Schnittebene liegt auf Ebene F-F und zeigt die zentral gelegene Mischkammer (4.3), den Frischluftanschluss (4.6) und paarig angeordnete Ventilatoren (4.4).
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9 eine Draufsicht als horizontaler Schnitt durch die erfindungsgemäße Lüftungseinrichtung. Die Schnittebene liegt auf Ebene G-G und zeigt das zentral gelegene Kühlregister (5.1) und das Unterdruckplenum (5.3).
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10 stellt die Legende dar.
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Entsprechend 1 (Vertikalschnitt 1-1) und 2 (Vertikalschnitt 2-2) wird die Abluft aus dem Raum durch die zentral angeordnete Rückluftöffnung (1.1) angesaugt.
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Mittels des an die Rückluftöffnung (1.1) anschließenden Rückluftschachtes (6.1) wird die angesaugte Raumabluft weiter geleitet und durch den im Rückluftschacht eingesetzten Rückluftfilter (3.1) vorgefiltert.
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Oberhalb des Rückluftfilters (3.1) befindet sich im Rückluftschacht (6.1) die Fortluftkammer (4.1). Aus dieser Kammer kann ein Anteil der vorgefilterten Raumabluft mittels eines Fortluftanschlusses (4.5) entnommen werden. Dieser, aus dem System entnommene, Anteil der Raumabluft wird nunmehr als Fortluftanteil bezeichnet.
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Der im Gerät verbleibende Anteil der Raumabluft, nunmehr als Umluftanteil bezeichnet, tritt durch die unmittelbar oberhalb der Fortluftkammer (4.1) gelegene Rückströmsicherung (4.2) hindurch und gelangt in die Mischkammer (4.3).
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In der Mischkammer (4.3) kann dem Umluftanteil mittels eines Frischluftanschlusses (4.6) eine Menge aufbereiteter Frischluft (als Frischluftanteil bezeichnet) hinzugegeben werden. Innerhalb der Mischkammer (4.3) durchmischen sich Umluftanteil und Frischluftanteil und werden nunmehr als Mischluft bezeichnet.
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Die Mischluft tritt in den, oberhalb der Mischkammer (4.3) gelegenen Kühler (5.1) ein und kann bedarfsgerecht abgekühlt werden. Die Mischluft tritt aus dem Kühlregister (5.1) in das darüber liegende Heizregister (5.2) ein und kann bedarfsgerecht erwärmt werden. Die thermisch behandelte Mischluft (Kühlen, Heizen) tritt aus dem Heizregister in das umgebende Unterdruckplenum (5.3) ein.
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Aus dem Unterdruckplenum (5.3) wird die thermisch aufbereitete Mischluft mittels der paarig angeordneten Ventilatoren (4.4) angesaugt und nunmehr als Zuluft bezeichnet. Durch den von den Ventilatoren (4.4) erzeugten Überdruck wird die Zuluft durch die paarig angeordneten Hauptfilter (3.2) gefördert.
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Nach Durchtritt durch die Hauptfilter (3.2) gelangt die Zuluft in das, allseitig umlaufend um den Rückluftschacht (6.1) angeordnete, Überdruckplenum (2.1). Aufgrund der Bauart des Überdruckplenums (2.1) verteilt sich die, nunmehr aufbereitete Zuluft gleichmäßig im Plenum. Druck-, Strömungs- und Temperaturdifferenzen werden weitgehend abgebaut.
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Aus dem Überdruckplenum (2.1) gelangt die Zuluft durch den, radialsymmetrisch um die Rückluftöffnung (1.1) herum gelegenen, Drallauslass (1.2) in den Raum zurück.
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Aufgrund der Bauart des Drallauslasses ergibt sich im Raum ein symmetrisches Strömungsbild welches eine optimale Raumdurchspülung mit minimalen Partikelverweilzeiten ermöglicht.
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Mittels der Rückströmsicherung (4.2) wird, bei Stillstand der Ventilatoren (4.4), zuverlässig das Eindringen ungefilterter Frischluft, einer angeschlossenen Anlage, über die Rückluftöffnung (1.1) des Gerätes in den Raum verhindert.
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Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Lüftungseinrichtung ist konstruktiv so ausgebildet, dass die Funktionsmodule entsprechend der Anforderungen des jeweiligen Reinraumes individuell kombiniert werden können. Bereits installierte Geräte können durch Ergänzung oder Austausch von Funktionsmodulen an veränderte Anforderungen angepasst werden. Änderungen an den Schnittstellen zum Reinraum sind nicht erforderlich.
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Im Betrieb der vollständig ausgerüsteten Lüftungseinrichtung durchströmt die Luft nacheinander die folgenden Funktionsmodule. Aufgrund des modularen Aufbaus können einzelne Schritte entfallen.
| Schritt | Funktionsmodul | Funktion |
| 1 | Rückluftöffnung (1.1) | Entnahme der Abluft aus dem Raum, Abschluss des Gerätes zum Reinraum |
| 2 | Vorfilter (3.1) | Abscheidung von groben Verunreinigungen |
| 3 | Fortluftkammer (4.1) | Fortluftanschluss (4.5), Entnahme eines Fortluftanteils |
| 4 | Rückströmsicherung (4.2) | Verhinderung der Umkehr der Strömungsrichtung im Gerät bei Stillstand der Ventilatoren |
| 5 | Mischkammer 2 (4.3) | Frischluft-Anschluss (4.6), Zugabe eines Frischluft-Anteils, Mischung von Umluft und Frischluft zur Mischluft |
| 6 | Kühlregister (5.1) | Bedarfsgerechte Abkühlung der Mischluft |
| 7 | Heizregister (5.2) | Bedarfsgerechte Erwärmung der Mischluft |
| 8 | Unterdruckplenum (5.3) | Aufbau homogener Anströmbedingungen für den Ventilator |
| 9 | Ventilator (4.4) | Druckerhöhung zur Überwindung der internen und externen Druckverluste |
| 10 | Hauptfilter (3.2) | Filterung der Zuluft |
| 11 | Überdruckplenum (2.1) | Aufbau homogener Strömungs-bedingungen zur optimalen Anströmung des Drallauslasses |
| 12 | Drallauslass (2.2) | Abgabe der Zuluft in den Reinraum, Erzeugung einer turbulenten Mischströmung im Raum |
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Die modulare Lüftungseinrichtung ist zum Einsatz in Reinräumen zur Erzeugung kontrollierter Raumklimabedingungen vorgesehen. Die Anwendung der Lüftungseinrichtung erfolgt in Reinräumen der Reinraumklassen B, C und D gem. EU-GMP Leitfaden bzw. in Räumen der ISO-Klassen 6 bis 9 gemäß DIN ISO 14644 und sämtlichen Räumen in denen eine turbulente Mischströmung erwünscht oder akzeptabel ist.
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Die Lüftungseinrichtung besteht aus verschiedenen, bedarfsweise kombinierbaren Funktionsmodulen. Die Funktionsmodule sind innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet.
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Die vorstehend beschriebenen Lüftungseinrichtungen verbinden die besten Eigenschaften klassischer Lüftungssysteme für den Reinraum und bietet eine Lösung für die folgend aufgeführten, bisher ungelösten Problemstellungen der konstruktiven Reinraumtechnik.
- 1. Eindringen ungefilterter Frischluft in den Reinraum
- • Ursache: Stillstand des oder der Ventilatoren
- • Auswirkung: Kontamination des Reinraumes und ggfs. des Produktes
- • Lösung: Die im Gerät integrierte Rückströmsicherung (4.2) schließt bei unzulässigem Druckgefälle zwischen Mischkammer 1 (4.1) und Mischkammer 2 (4.3).
- 2. Unzureichende Partikelreinheit im Reinraum bei Ventilatorausfall
- • Ursache: Ausfall des Ventilators des dezentralen oder zentralen Lüftungsgerätes
- • Auswirkung: Reduzierung des Luftwechsels im Raum > ungenügende Partikelabreinigung > ggfs. Produktkontamination
- • Lösung: Durch die Integration von zwei teilredundanten Ventilatoren in einem Gerät bleibt auch bei Störung eines Ventilators die Integrität des Reinraumes erhalten.
- 3. Unzureichende/Ungleichmäßige Durchspülung des Reinraumes
- • Ursache: Unsymmetrische und/oder nicht ausreichend turbulente Lufteinbringung dezentraler Lüftungseinrichtungen in den Reinraum
- • Auswirkung: Unzureichende Partikelabreinigung, Verlängerung der Partikelverweilzeiten im Reinraum, Bildung von „Partikelnestern” > Produktkontamination möglich
- • Lösung: Durch Einbringung der Zuluft über einen radialsymmetrischen Drallauslass mit vorgelagertem Druckplenum wird eine symmetrische und optimal turbulente Raumströmung erreicht.
- 4. Zugerscheinungen im Aufenthaltsbereich von Personen (1)
- • Ursache: Unsymmetrische und/oder nicht ausreichend turbulente Lufteinbringung dezentraler Lüftungseinrichtungen in den Reinraum
- • Auswirkung: Gesundheitliche Beeinträchtigung des Personals
- • Lösung: Mittels des radialsymmetrischen Drallauslasses mit vorgelagertem Druckplenum wird eine optimal turbulente Einbringung der Zuluft in den Raum erreicht. Diese entspricht dem Niveau aufwendiger zentraler Lufttechnischer Anlagen. Auch hohe Temperaturdifferenzen sind so ohne starke Zugerscheinungen realisierbar.
- 5. Zugerscheinungen im Aufenthaltsbereich von Personen (2)
- • Ursache: Hohe punktuelle Kühllasten führen bei zentralen lufttechnischen Anlagen zu einer insgesamt niedrigen Einblastemperatur des gesamten Raumes. In den Bereichen des Raumes ohne die Punktlasten ist die Zuluft-Temperatur unangebracht niedrig.
- • Auswirkung: Gesundheitliche Beeinträchtigung des Personals
- • Lösung: Mittels der lokalen Erfassung und bedarfsgerechten Abkühlung der erwärmten Raumluft werden punktuelle Wärmelasten am Emissionsort erfasst und abgeleitet. Umgebende Arbeitsbereiche werden nicht beeinträchtigt..
- 6. Unzureichende Abführung von Wärmelasten aus dem Reinraum
- • Ursache: Zu geringe Kühlleistung dezentraler Lüftungseinrichtungen für Reinräume
- • Auswirkung: Energiesparende Anlagenkonzepte bestehend aus Zentraler Außenluftaufbereitung und dezentralen Mischlufteinrichtungen werden nicht realisiert. Alternativ werden zentrale Mischluftanlagen eingesetzt mit teilweise doppeltem Aufwand für Elektroenergie und erhöhten Investitionen.
- • Lösung: Aufgrund des komplett abweichenden funktionellen Aufbaus der beschriebenen Erfindung können erheblich größere Kühlregister integriert werden als bei sonst bekannten dezentralen Lüftungseinrichtungen für den Reinraum. Durch den integrierten Drallauslass erfolgt eine sehr wirksame Vermischung der Zuluft mit normaler Raumluft. Die zur Realisierung hoher Kühlleistungen notwendigen großen Temperaturdifferenzen zwischen Raumluft und Zuluft werden so ohne störende Einflüsse abgebaut. Kühlleistungen bis zu 300 W/m2 sind möglich.
- 7. Erhöhung der Leistungsfähigkeit lufttechnischer Anlagen ist mit hohem Aufwand verbunden
- • Ursache: Kein modularer Aufbau
- • Auswirkung: Bei Umnutzung oder Integration zusätzlicher Maschinen in den Reinräumen können die zusätzlichen Wärmelasten nicht abgeführt werden. Umfangreiche Umbauten mit hohen Investkosten und Beeinträchtigungen der Produktion sind erforderlich.
- • Lösung: Aufgrund des modularen Aufbaus können auch nachträglich ohne Veränderung des Gesamtsystems leistungsfähigere Komponenten, z. B. Kühlregister in drei Leistungsstufen; beliebige Filterklassen für Vorfilter und Hauptfilter integriert werden.
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Der Raumbedarf ist gleich oder geringer als bei bisher bekannten Kompaktgeräten.
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Die Variabilität durch die Möglichkeit der individuellen Kombination verschiedener Funktionsmodule ist vergleichbar mit klassischen Raumlufttechnischen Anlagen, bestehend aus zentralen Lüftungsgeräten und voluminösem Kanalnetz mit angeschlossenen Luftauslässen.
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Durch die große Variabilität und Wartungsfreundlichkeit bei gleichzeitig minimalem Raumbedarf sowie durch die symmetrische Strömungsausprägung im Raum sind die Geräte hervorragend für den Einsatz in Reinräumen verschiedenster Branchen geeignet. Mittels Temperaturregelung, Volumenstromanpassung und Luftmischung können komplexeste Anforderungen an das Raumklima erfüllt und der Energieaufwand für die Klimatisierung auf ein Minimum begrenzt werden.
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Bezugszeichenliste
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Fig. 10 – Legende
- 1.1
- Zentral angeordnete Rückluftöffnung
- 1.2
- Drallauslass, Radialsymmetrisch umlaufend
- 2.1
- Überdruckplenum, allseitig umlaufend um Rückluftschacht
- 3.1
- zentral angeordneter Rückluftfilter (Vorfilter)
- 3.2
- paarig angeordneter Hauptfilter
- 4.1
- Fortluftkammer (mit Fortluft-Anschluss)
- 4.2
- selbsttätige Rückströmsicherung
- 4.3
- Mischkammer (mit Frischluft-Anschluss)
- 4.4
- Ventilatoren
- 4.5
- Fortluft-Anschluss
- 4.6
- Frischluft-Anschluss
- 5.1
- Kühlregister
- 5.2
- Heizregister
- 5.3
- Unterdruckplenum
- 6.1
- Zentral angeordneter Rückluftschacht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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