DE2030565A1 - Staubfreie Arbeitsstation - Google Patents

Description

Patentanwalt Dipl. Ing. Hartniut Kehl 7300 Essimgen, Müibergerstr. 32a

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■ Chase Manhattan Bank New York

T . Soeiete Francaise d 'Aerodynamique et de 2030565

Thermodynamique Sofrair, 19, Avenue Dubonnet 92-Courbevoie, Frankreich 19. Juni 1970

2. Institut National de Recherche Chimique
Appliquee I.R.C.H.A., 12, Quai Henri IV
75-Paris, Frankreich Anwaltsakte 827 '

Staubfreie Arbeitsstation.

Die Erfindung befaßt sich mit der Schaffung von Arbeitsatmosphären, die von jeglicher Verschmutzung durch Partikel gereinigt sind, wie sie die moderne Technik, sei sie extremer oder klassischer Art, Immer öfter nötig hat.

Für große Konstruktionen wie Baueinheiten der elektronischen Fertigung oder von Satellitenkonstruktionen kann man Kammern verwenden, die fUr eine von Wand zu Wand oder von Decke zu Boden erfolgende laminare Durchströmung geeignet sind, wobei das mit· den Arbeiten befaßte Personal, in einer zur Vermeidung von Verschmutzungen geeigneten Weise gekleidet, unmittelbar diese Kammern betritt. Für eine große Zahl von Produktionsfällen kann man die Arbeit in Einzeloperationen zerteilen, wobei für jede nur ein in geeigneter Weise verringerter Raum zur Verfügung gestellt werden muß. Man kann diesen mittels eines Handschuhkastens beherrschen, der aber, weil er wenig praktisch ist, immer weniger verwendet wird und in Jedem Fall, wo es möglich ist, durch staubfreie Arbeitsstationen ersetzt wird, die im allgemeinen in einem klimatisierten und durch klassische Verfahren entstaubten Raum liegen, in dem sich das Personal befindet.

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Die verschiedenen Arbeitssfationen dieser Art sind zur laminaren Durchströmung vorgesehen. Es muß zunächst präzisiert werden, daß in der in Rede stehenden Technik unter "laminarer Durchströmung" nicht eine durch eine Reynold 'sehe Zahl unterhalb von 2000 definierte Strömung verstanden wird, sondern eine Strömung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein in seinem Innersten eingeblasener feiner Rauchfaden in die allgemeine Richtung der . Durchströmung in Form eines sich leicht vergrößernden Schwadens weggezogen wird, dessen Achse aber geradlinig und parallel zu dieser Richtung verbleibt. Aus dieser grundsätzlichen Eigenschaft ergibt sich, daß die Arbeitsstationen dieser Art nicht nur eine entstaubte Arbeitsfläche bieten, sondern daß {ede Verschmutzung an einem Punkt entlang einer definierten Bahn herausgezogen wird und daß die gefährlichen Zonen bekannt sind. Insbesondere wird jede ständige oder zufällige Staubentwicklung überwacht.

Gegenwärtig bestehen zwei Arten von Arbeitsstationen dieses Typs, die unter den vorstehenden Gesichtspunkten unterschiedliche Eigenschaften haben, je nach dem ob sie eine horizontale oder eine vertikale Durchströmung aufweisen, wie weiter unten untersucht wird.

Zugleich wird hier daran erinnert, daß zusätzlich zu dem Problem der Nichtverschmutzung der Arbeitsatmosphäre durch das Vorhandensein des Arbeiters oder der Atmosphäre des Raumes, in dem er sich befindet - was das Problem ist, mit dem man sich im allgemeinen befaßt - oft ein weiteres Problem besteht, und zwar das der Nichtverschmutzung des Arbeiters selbst unter der Einwirkung von Stäuben, Ausströmungen oder Ausbrüchen von Gasen, wie es bei der Arbeit selbst vorkommen kann. Von diesem neuen Gesichtspunkt herstellt man fest, daß die entstaubten Arbeitsstationen mit horizontaler Durchströmung das erste Problem gut lösen, aber nicht das zweite, während die entstaubten Arbeitsstationen mit vertikaler Durchströmung je nach dem, ob die abgesaugte Menge leicht geringer oder leicht größer als die eingeblasene Strömung ist, das erste

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oder das zweite Problem lösen können, aber nie gestatten/ beide Probleme gleichzeitig zu lösen. Man ist also gezwungen, je nach dem einzelnen Fall auf das eine oder das andere Ergebnis zu verzichten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Arbeitsstation mit laminarer Durchströmung des angezeigten Typs zu schaffen, bei der die beiden obenstehend erläuterten Probleme gleichzeitig gelöst werden können, d. h. die Nichtverschmutzung der Arbeitsatmosphäre durch den Arbeiter und die Nichtverschmutzung des Arbeiters durch die Arbeit.

In Lösung dieser Aufgabe weist eine staubfreie Arbeitsstation nach der Erfindung zwei Abteilungen auf, nämlich ein hinteres Abteil, das die erläuterte Arbeitsfläche überragt und von einer laminaren horizontalen Querströmung durchströmt wird, und ein weiteres, schmaleres Abteil, das zwischen dem vorgenannten Abteil und dem Arbeiter liegt und von einer laminaren vertikalen Strömung durchströmt wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und dem Vergleich von zwei bisher üblichen Typen von staubfreien Kammern mit einer erfindungsgemcißen Ausführungsart einer staubfreien Kammer, die als Beispiel und ohne einschränkenden Charakter anhand der Zeichnung veranschaulicht ist. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine staubfreie Arbeits

station mit horizontaler Durchströmung üblicher Art,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine staubfreie Arbeits

station mit vertikaler Durchströmung üblicher Art,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt einer erfindungsgemäßen staub

freien Arbeitsstetion und

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Fig. 4 , einen senkrechten Schnitt nach der Linie IV-IV

in Fig. 3.

In Fig. 1 ist eine Arbeitsstation mit laminarer Durchströmung dargestellt, die einen nach vorn bei 2 offenen Kasten aufweist mit einem Ventilator 3, der unter dem Arbeitstisch 4 angeordnet ist und die Raumluft bei 5 ansaugt und sie in den hinteren Teil des Kastens ausläßt, von wo sie durch ein Filter 6 in Form einer laminaren, gegen den Arbeiter gerichteten Strömung 7 ausströmt. Die so entnommene und ständig in den zu beaufschlagenden Raum zurückgeführte Luft überstreicht die Arbeitsfläche 4 in horizontaler Richtung. Jede Verschmutzung wird in einer parallel zur Arbeitsfläche liegenden Richtung weggeführt und auf dieser Parallelen ist alles hinter der Staubquelle verunreinigt. Aber es besteht eine totale Unabhängigkeit der in derselben vertikalen Ebene senkrecht zu der Strömung liegenden Staubquellen. Eine derartige vertikale Ebene wird nur örtlich von Staubquellen gereinigt, die · strömungsaufwärts in der Strömung liegen.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß bei einer vertikalen Durchströmung die Anordnung analog der vorhergehenden ist, wobei in diesem Fall aber die Luft in einer vertikalen laminaren Strömung 8 ausströmt und auf die Arbeitsfläche 9 trifft, die zwangsläufig durch ein perforiertes Gitter gebildet wird. Die Luft wird wie im vorhergehenden Fall durch einen Ventilator 3 wieder aufgenommen und durch das Filter 6, das hier übender Arbeitsstelle angeordnet ist, wieder hindurchgeführt. Für eine vollkommene Durchströmung müßte dieselbe Luftmenge unaufhörlich im Kreis umlaufen. Jede Verschmutzung wird in einer vertikalen Richtung entfernt und in dieser zur Arbeitsfläche senkrechten Richtung wird alles hinter der Staubquelle, d.h. unter dieser in nach unten abgehender Richtung, verunreinigt. In diesem Fall gibt es eine totale Unabhängigkeit der in derselben horizontalen Ebene gelegenen StaubqueUen. Irgendeine vertikale Ebene wird senkrecht zur Arbeitsfläche nur von dort enthaltenen Staubquellen verschmutzt.

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Um für Jeden praktischen Anwendungsfall die am besten geeignete Art einer Arbeitsstation auszuwählen, muß man nun genauer untersuchen, was aus den auf der Arbeitsfläche freigesetzten Verunreinigungen wird. Bei einer horizontalen Durchströmung hat man gesehen, daß die Verunreinigungen in den Umgebungsraum geblasen werden. Bei einer Arbeitsstation mit vertikaler Durchströmung hat die Notwendigkeit, eine Zugangsöffnung haben zu müssen, zur Folge, daß zwischen der Strömung 8 und der Umgebungsatmosphäre notwendigerweise ein gewisser Austausch stattfindet, so daß man im allgemeinen vorsieht, nach den beiden folgenden einander entgegengesetzten Regeln zu arbeiten:

- entweder man saugt quer zur Arbeitsfläche 9 eine größere Menge an als durch das Deckenfiiter 6 ausgesandt wird. Man hat dann kein Entweichen der Strömung und damit der in ihr enthaltenen Verunreinigungen nach außen, aber die von der Umgebung angesaugten Luftanteile verunreinigen mehr oder weniger die Arbeitsfläche. Außerdem wird auf dieser Ebene die laminare Struktur der Strömung weitgehend gestört;

-'■ oder man saugt quer zur Arbeitsfläche 9 eine Menge ab, die geringer ist als die durch das Deckenfilter 6 ausgesandte. In diesem Fall bleibt die Strömung laminar, die Arbeitsstelle wird nicht von der Umgebungsluft verunreinigt, aber eventuelle Verunreinigungen der Strömung werden teilweise in den Umgebungsraum ausgesandt. In dem Fall, wo die zusätzliche Luft in demselben Raum abgesaugt wird, ist es offensichtlich, daß dieser Raum, wenn es sich um eine gasförmige Verunreinigung handelt, schließlich vollkommen davon erfaßt wird.

Die beiden Anordnungen mit horizontaler oder vertikaler Durchströmung erlauben also nicht, die Unabhängigkeit der Atmosphäre, in der sich der Arbeiter befindet,

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in Bezug auf eine an der Arbeitsstelle freigesetzte gas- oder partikelförmige Verunreinigung sicherzustellen, oder man erreicht dies nur mit der Schädigung der Reinheit der Arbeitsatmosphäre im Falle einer vertikalen Durchströmung. Es bestehen infolgedessen zahlreiche praktische Fälle, in denen keine dieser Anordnungen zufriedenstellt.

Ein erstes Beispiel betrifft die Bakteriologie, wo das Präparat vom Operateur isoliert sein muß und wo aus Sicherheitsgründen der Operateur oft in gleicher Weise von dem Präparat isoliert sein muß, um die Inhalation von gefährlichen Keimen zu vermeiden. Wenn ein Abzug mit laminarer Durchströmung die erste Art der Trennung bietet, so kann er zugleich nicht die zweite Art der Trennung bieten, wie man soeben gesehen hat. Man muß deshalb bisher mit einem Handschuhkasten arbeiten, obwohl diese Vorrichtung sehr wenig praktisch ist.

In der "reinen Chemie" soll man z. B-. den Angriff von festen Körpern durch

3 konzentrierte Säuren durchführen in Gefäßen von höchstens' 500 cm , Jedoch in ebenfalls so staubfrei wie möglich gemachten Atmosphären. Die vertikale Strömung, die benutzt werden muß, erfährt eine starke gasförmige Verunreinigung, die man beim gegenwärtigen Stand der Technik dadurch eliminiert, daß ein Teil des Ausstoßes nach außen geht, wobei die ausgleichende Menge aus der Umgebung kommt und zum Teil die Arbeitsfläche verunreinigt.

Ein letztes Beispiel betrifft den Fall von bestimmten mikroelektronischen Montagen, die in einer entstaubten Atmosphäre mit einer relativen Feuchtigkeit unterhalb von 10 % durchgeführt werden sollen. Diese kleinen Objekte können nicht auf perforierten Gittern angeordnet werden, so daß eine vertikale Durchströmung ausgeschlossen ist. Andererseits, wenn eine horizontale Strömung verwendet werden würde, würde in den Raum sehr trockene Luft in großer Menge ausgesandt werden, was bei den Arbeitern schnell Unbehagen verur- ' Sachen würde.

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Um diese Nachteile zu vermeiden, kann mit großem Vorteil die erfindungsgemäße entstaubte Arbeitsstation verwendet werden. Diese hat, wie Fig. 3 und 4 zeigen, einen Arbeitstisch 10, über dem sich ein Kasten erhebt, der durch eine Rückwand 11 und eine Deckwand 12 gebildet wird, wobei die Seitenwände dieses Kastens auf der einen Seite durch ein Luftfilter 13 und auf der anderen Seite durch ein Wiedereintrittsgitter ersetzt sind. Ein geeigneter Mantel 15 mit einem in der Öffnung einer Querwand 17 angeordneten Ventilator 16 bewirkt die Entnahme der Luft bei 14 und ihr Einblasen bei 13. Auf diese Weise erhält man im Inneren des vorstehend erwähnten Kastens eine laminare horizontale Strömung 18, die sich von links nach rechts auf der Arbeitsfläche 10 bewegt und nicht mehr von hinten nach vorn in Bezug auf den Arbeiter wie im Falle nach Fig. 1.

Zwischen dieser lanninaren horizontalen Strömung und dem Arbeiter ist nach der Erfindung außerdem eine laminare vertikale Strömung 19 vorgesehen, die zwischen einem horizontalen Filter 20 in Verlängerung der vorerwähnten Deckwand 12 und einem horizontalen Wiedereintrittsgitter 21 ausgebildet ist, welches in Verlängerung der Arbeitsfläche 10 angeordnet ist. Diese Strömung bewegt sich parallel zu seitlichen Führungswänden 22, die in Verlängerung der Teile 13 und 14 angeordnet sind, und wird vorzugsweise durch einen weiteren Ventilator 23 erzeugt, der in einer Querwand 24 im Inneren eines geeigneten Mantels 25 angeordnet ist und die Luft bei 21 ansaugt und bei 20 ausbläst. Es wäre natürlich auch möglich, denselben Ventilator zu verwenden, um die beiden Strömungen zu erzeugen, aber das Anordnen von zwei Ventilatoren ermöglicht eine größere Unabhängigkeit bei der Steuerung der Strömungen. Ferner könnten die Richtungen der Strömungen 18 und 19 ohne Schwierigkeiten einander entgegengesetzt sein, indem die Lage der Filter und Wiedereintrittsgitter ausgewechselt wird, ohne die Eigenschaften des Gerätes zu ändern.

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Die laminare horizontale Strömung 18 mit seitlichem Strömungsverlauf ist diejenige, die die Reinheit der Arbeitsfläche 10 sicherstellt. Es ist möglich, die Arbeitsstation so einzurichten, daß das Laminarverhalten auf der ganzen Arbeitsfläche beibehalten wird. Die Haupteigenschaften dieser Strömung sind die Unabhängigkeit der Verschmutzungsquellen in einer vertikalen Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung und die Tatsache, daß irgendeine horizontale Ebene entlang von horizontalen Bahnen senkrecht zum Filter 13 nur von Verschmutzungsquellen verunreinigt wird, die in dieser Ebene selbst liegen. Man hat also eine Strömung ähnlich der klassischen horizontalen Strömung nach.Fig. 1 mit dem Unterschied, daß die Reinheit, wenn die Arbeitsfläche der Vorrichtung besetzt ist, von links nach rechts (bei der hier gewählten Richtung) abnimmt, während bei der klassischen Arbeitsstelle diese Abnahme der Reinheit in Bezug auf den Operateur von vorn nach hinten vorhanden ist. Die reine Zone ist vollkommen zugänglich.

Die vertikale Strömung hat einen doppelten Zweck:

- vom aerodynamischen Gesichtspunkt aus bildet sie eine bewegliche Wand, die man derart steuert, daß sie der horizontalen Strömung 18 gestattet, sich aufzubauen und sich bis zum Wiedereintrittsgifter 21 aufrechtzuerhalten. Man stellt höchstens eine dUnne turbulente Zone fest, wo die einander benachbarten Schichten der beiden Strömungen sich in der Nähe dieses Gitters in geringer Dicke vermischen;

- vom Gesichtspunkt der Verunreinigung isoliert die senkrechte Strömung dank ihrer Reinheit die horizontale Strömung nach außen hin und umgekehrt.

Z. B. wird bei einer nicht einschränkenden besonderen Ausfuhrungsart die seitliche Strömung 18 durch eine Filterzelle 13 von 610 χ 610 mm ausgeblasen

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und über eine gleich große Fläche wieder aufgenommen. Die Arbeitsfläche 10 hat eine Tiefe von olO mm und eine Breite von 1,5m. Die Strömung 18 hat eine mittlere, mit einem Hirzdraht-Anemometer aufgenommene Geschwindigkeit von 0,5 m/s. Die vertikale Strömung 19 wird durch eine Fläche von 30 χ 1250 mm ausgeblasen und Über denselben Querschnitt wieder aufgenommen. Eine gute Steuerung kann erreicht werden, wenn di,e Wiederaufnahmemenge bei 21 leicht höher ist als die bei 20 ausgeblasene Menge, wobei der Luft Überschuß durch einen Auslaß strömungsabwärts des Ventilators 23 entfernt wird. Man wählt diese Steuerung, wenn es insbesondere die Verunreinigung durch Partikel ist, gegen die angegangen werden soll. Wenn eine gasförmige Verunreinigung behandelt werden soll, kann mit einer Ausblasmenge bei 20 gearbeitet werden, die etwas höher ist als die Aufsaugmenge bei 21, wobei der Unterschied über einen Lufteinlaß ausgeglichen wird, der strömungsaufwärts des Ventilators 23 angeordnet ist. Die mittlere Geschwindigkeit dieser Strömung 19 liegt in der Gegend von 0,8 m/s, während die ganze Höhe 610 mm beträgt.

2 ' Bei dieser besonderen Ausführungsart sind die Luftmengen 670 m /h bzw.

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1072 m /h. Wie oben angedeutet, werden sie vorzugsweise durch zwei Ventilatoren geliefert, die voneinander getrennte Kreisläufe speisen, was infolge dieser Unabhängigkeit eine Steuerung einfacher macht. Jeder Kreislauf arbeitet mit einem ständigen Rücklauf ohne Zufuhr frischer Luft oder im Gegenteil mit einer Zufuhr frischer Luft, die im allgemeinen aus der Umgebung abgesaugt wird, wobei die zusätzlich gebrauchte Luft wieder in den Außenraum geblasen werden kann. Die beiden Strömungen können aus Luft oder aus jedem anderen Gas, allein oder in einer Mischung, bestehen. In jedem Kreislauf kann man absolute Filter und Schichten von Aktivkohle zur Absorption gefährlicher Dämpfe anordnen» Es ist zugleich möglich - und dies ist besonders interessant für die horizontale Strömung 18 - , daß die Kreisläufe, vollkommen oder teilweise, eine Klimatisierung der Luft vorsehen. Schließlich können bei bestimmten Bauausführungen die Strömungen von einer zentralen Klimatisierungsanlage hergeleitet werden.

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Die staubfreie Arbeitsstation nach der Erfindung kann beim, größten Teil der gegenwärtigen Anwendungen von Abzügen mit horizontaler oder vertikaler Durchströmung verwendet werden. Sie gestattet, Probleme zu lösen/ die bisher durch Handschuhkästen nicht gelöst werden konnten, insbesondere wenn man in einer reinen Atmosphäre eine Arbeit vornimmt, die Verunreinigungen durch Partikel oder Gase erzeugt, welche nicht nach außen entweichen sollen, oder wenn die Arbeitsatmosphäre besondere Eigenschaften haben soll, wie einen geringen relativen Feuchtigkeitsgehalt oder niedrige oder hohe Temperaturen oder noch ein spezielles Gas, was jede gegenseitige Beeinflussung mit der Umgebung des zu bearbeitenden Stuckes ausschließt.

Es ist klar,daß die oben beschriebene Ausführungsart und ihre verschiedenen Abwandlungen keinen beschränkenden Charakter haben und daß verschiedene gewünschte Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So können die Höhe oder die. Länge jeder der Strömungen, und zwar der vertikalen oder der horizontalen, durch Zwischenschaltung einer Abschirmung zwischen den beiden Strömungen und zwischen der vertikalen Strömung und dem Äußeren verschiedene Werte haben.

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Claims (7)

1. Patentanwalt Dipl. Ing. Hartmut Kehl 7300 Esslingen, Mülbergeretr. 32 A Telefon Stuttgart (0711)359992
   cable «hakepat« esslingenneckar Deutsche Bank Esslingen 210 906
   Poetecheckamt Stuttgart 10004
   Chase Manhattan Bank New York 1. Sociere Francaise d'Aerodyncmique et de
   Thermodynomique Sofrair, 19, Avenue Dubonnet
   92-Courbevoie, Frankreich 19. Juni 1970 2. Institut National de Recherche Chimique
   Appliquee I.R.C.H.A., 12, Quai Henri IV
   75-Paris, Frankreich Anwaltsakte 827

   Patentansprüche

   . !Staubfreie Arbeitsstation, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Abgrenzung eines Arbeitsraumes ein Gehäuse mit einer unteren im wesentlichen horizontalen Arbeitsfläche (10) und mit einer seitlichen Öffnung, ferner eine Einrichtung, um in diesem Arbeitsraum eine laminare und im wesentlichen horizontale Strömung (18) zirkulieren zu lassen, und eine Einrichtung, um außerhalb dieses Arbeitsraumes und vor der seitlichen Öffnung eine andere laminare und im wesentlichen vertikale Strömung (19) zirkulieren zu lassen, aufweist. ·
2. 2. Arbeitsstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine der seitlichen Öffnung gegenüberliegende Rückwand (11), eine Deckwand (12) und zwei Seitenwände aufweist, wobei von den letzteren eine durch ein Verteilergitter (13) und die andere durch ein Ansauggitter (14) gebildet ist und diese Gitter unter sich durch eine Leitung verbunden sind, um

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   den Kreislauf und das Filtern von Luft in dem Arbeitsraum im wesentlichen horizontal durchzufuhren.
3. 3. Arbeitsstation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Gehäuse das erwähnte Gehäuse umgibt mit einer zweiten seitlichen Öffnung gegenüber der ersten, derart, daß sich unter der Wirkung einer entsprechenden Umwälzeinrichtung ein Kanal für die Zirkulation der vertikalen Strömung (19) zwischen den beiden öffnungen ergibt.
4. 4. Arbeitsstation nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem blockförmigem nach vorne offenen Kasten besteht mit zwei Abteilungen, nämlich einem hinteren Abteil mit laminarer horizontaler Strömung (18) und einem vorderen Abteil mit laminarer vertikaler Strömung (19).
5. 5. Arbeitsstation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilergitter der Gehäuse aus Staubfiltern (13, 20) bestehen.
6. 6. Arbeitsstation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß fUr jeden Kreislauf besondere Umwälzeinrichtungen, z. B. Ventilatoren (16, 23), vorgesehen sind zur Zirkulation der horizontalen und der vertikalen Strömung (18, 19).
7. 7. Arbeitsstation nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander getrennten Umwälzeinrichtungen derart ausgebildet sind, daß sie die horizontale bzw. die vertikale Strömung 08 bzw. 19) mit unterschiedlichen Strömungsmengen zirkulieren lassen können.

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