CN101970957A - 在超低温度下储存生物或化学样品的自动储存和取回系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在正常工作状态下的超低温度(即，从大约-50℃到大约-90℃，优选大约-80℃)下储存容器的自动储存和取回系统，所述容器一般容纳有生物或者化学样品。使用干燥气体的气流来减少冷冻箱隔室内部的湿气和产生的霜冻。专用的隔热门装备有存取模块(22)和管拾取器隔室(30)以及用于控制超低温冷冻箱隔室内部的机械手(48)的伺服电动机。机械手自动地将样品储存容器放置在冷冻箱隔室内部的固定存放架中。使用磁耦合器(70，72)来将机械动力从冷冻箱隔室外部传输给冷冻箱隔室内部的机械手。机械手具有简化的机械构造。专用的门可以被轻易地附接到标准的冷冻箱本体上。

Description

在超低温度下储存生物或化学样品的自动储存和取回系统

技术领域

本发明涉及主要用于储存生物或者化学样品的超低温冷冻箱的自动化的储存和取回系统。

背景技术

在生物技术和医药工业中生物和化学样品的储存变得普及了。为了保藏许多所述样品，必须在等于或低于冷冻温度下储存样品。一般而言，普通的冷冻箱在-5℃到-20℃内运行，并且超低温冷冻箱在大约-50℃到大约-90℃(优选在或大约-80℃)内运行，并且深冷冷冻箱在-140℃到-196℃(液氮的沸点)内运行。本发明是指在-50℃到大约-90℃范围内(优选-80℃)工作的超低温冷冻箱。

授予Felder等的美国专利号6,941,762以及同样由Felder等拥有的美国专利号6,688,123；6,581,395和6,467,287描述了一种自动超低温储存和取回系统的不同实施例。特别是，所述专利描述了一种在正常工作状态下具有维持在-50℃到-90℃(优选大约-80℃)的超低温度下的冷冻箱隔室的系统。存放架安装在隔热的超低温冷冻箱隔室的内部。存放架可以或者安装在固定位置中或者安装到旋转转盘上。在超低温储存隔室中设置一机械手以将样品储存容器放置在存放架上并且从存放架上取回储存容器。样品储存容器一般是与SBS脚印相配的，并且采取微孔板、管材存放架、储层的形式或者其他SBS形式的容器。机械手也与存取模块通讯以便将样品储存容器导入到系统中，并且从系统中取出容器以供使用。Felder等的专利描述了使用一种气候控制室，该气候控制室使用干燥气体的吹扫来减少存取模块中的潮气。一般将驱动电动机设置在冷冻箱隔室外面，不仅因为电动机很难在超低温下运行，而且减少了在超低温储存隔室内部的发热量。

所述超低温储存和取回系统具有几百个或更多的样品储存容器(例如，微孔板或管子存放架)的容量。虽然存在多种能够将储存隔室冷却到例如-80℃的超低温的冷冻系统的制造商，但是利用一些冷冻系统的冷却过程不是特别有效率的。通常，需要花大约24小时来将冷冻箱隔室冷却到-80℃以为装入生物制品或者化学样品做准备。

已经发现，储存在超低温系统中的许多生物样品经常容纳在例如按48或者96个管子的排列保持在管子储存容器中的密封的塑料试验管中。有时，将二维条型码粘附到管子底部，能够通过储存容器的底部来读取所述二维条型码。在其它情况中，将一维条形码设置在管子的侧壁上。在两种情况中，条型码都有利于将数据输入到控制系统中，所述控制系统记住每种生物样品的位置。样品储存容器本身一般也具有条型码。

在所述超低温储存和取回系统中，希望减少超低温冷冻箱隔室内部积聚的霜。过多的霜可能促使系统并且机械手和取回机构的其他部件发生故障。因此，必须在相当规则的基础上给系统除霜。然而，除霜过程通常是耗时的。一般地，必须将所有样品储存容器传输到单独的超低温冷冻箱隔室中，并且然后当给系统除霜和再冷却之后，重新一个接一个地导入到管座上。除霜过程不但相当耗时，而且其还可能导致系统部件(例如，机械手的轴承或者其他部件)过早地磨损。本发明的一个目的是在正常运行期间减少允许进入超低温冷冻箱隔室中的湿气的量，以便减少现在一般所需除霜的次数。

虽然当导入或取回样品储存容器时允许当前系统中显著量的湿气通过存取模块进入到超低温冷冻箱隔室中，但是湿气和热量还可以在冷冻箱器壁缺口的任何位置处渗入到隔热的超低温冷冻箱隔室中。例如，使机械驱动轴穿过冷冻箱器壁的开口(即使开口被密封了)可能为渗漏提供机会，尤其在密封件磨损之后。

为了大批地制造出Felder等公开的系统，按用户需要设计的冷冻箱本体被用来容纳存放架与储存转盘和机械手与其驱动机构，以及容纳存取模块和驱动电动机。例如转盘和导轨以及机械手的支架的某些部件被直接安装在冷冻箱隔室的内壁上。在安装期间这可能导致变形问题，因为材料由于超低温而收缩。应当注意到，必须精确地(特别是，就旋转精度而言)放置伸出臂或者交换机构，否则系统可能发生故障并且可能引起样品的损失。因此，技术人员在系统设定期间花相当多的时间和努力来解决热变形问题不是罕见的。

此外，参见Felder等所公开的系统，机械手被安装在圆柱形的基座上，该圆柱形的基座通过冷冻箱隔室的底板来安装。机械手电动机安装到冷冻箱隔室外面的圆柱形基座上。转动圆柱形的基座以及基本上整个机械手以便定位所述伸出臂。然而，该设计要求在圆柱形的基座和冷冻箱隔室的底板之间存在有效密封，这有时有些难以实现并且可能变成磨损源。在一种类似的方式中，用于驱动存放架转盘的电动机安装在冷冻箱隔室的底板下面，并且其驱动轴必须穿过冷冻箱隔室底板的壁以便驱动转盘。此外，虽然穿过的驱动轴被密封，但是冷冻箱的破口为热量和/或湿气渗入到超低温冷冻箱隔室中提供了机会。

当希望从所储存的样品容器中不全部取回所有的储存管时(其是比在所述应用中全部取回所有的储存管更常见的情况)，也产生了问题。不希望从系统中除去全部的容器。移除过程考虑到了湿气进入到超低温储存隔室内，以及当即使临时地从系统上移除时可能至少部分地解冻保持在同一容器中的其他样品的危险。虽然管拾取器具在现有技术中通常是已知的，但是超低温冷冻箱隔室内部的环境一般是非常寒冷的，以致不能确保传统的管拾取器具可靠地工作。

发明内容

本发明是一种在正常操作状态下用于在超低温度下(即，从大约-50℃到大约-90℃，优选大约-80℃)储存容器的改进的自动储存和取回系统及方法。一般地，如在现有技术中已知的，容器将容纳生物或者化学样品。

在本发明的一个方面，系统包括具有隔热本体和隔热门的超低温冷冻箱，其具有容纳在其中的超低温储存隔室。冷冻箱本体具有实质上连续的泡沫隔热壁，在本发明的该方面中，该隔热壁并未通过提供用于任何机械驱动轴的开口而被破坏。在隔热的超低温冷冻箱隔室内部设置并固定坚固的框架结构，存放架和机械手被安装在该框架结构上。该配置实质上消除了在安装过程期间适应热变形所需的时间和努力。如果需要，将隔热的冷冻箱门安装到冷冻箱本体上，例如，通过铰链和锁紧机构，并且在系统的正常运行期间关闭门。此外，根据本发明的该方面，用于将储存容器引入到超低温储存隔室内并且用于取回样品的存取模块被结合到隔热的冷冻箱门内。通过定位在超低温储存隔室内的机械手上的伸出臂来从门中的存取模块取走存取样品。存取模块包括干燥腔室，该干燥腔室优选保持在室温下或者附近，其中在提供进入超低温隔室的通道之前湿气被清除。机械手的驱动电动机也被安装到超低温储存隔室的外部的门上。优选是，磁耦合器从安装到超低温室外部的门上的机械手将机械动力提供到位于超低温隔室内部的机械手驱动器。因此，可以使用标准的冷冻箱本体来制造超低温储存和取回系统，其没有改型，具有结合了存取模块和机械手驱动电动机的专用门。无论驱动电动机是否被安装在隔热门上，使用磁耦合器允许在不破坏冷冻箱隔室的隔热壁的情况下将动力传送给机械手。

虽然优选利用磁耦合器来实现将动力从超低温隔室外部的机械手驱动电动机传输给储存隔室内部的机械手，但是可以通过例如穿过隔热的冷冻箱门的内壁的机械驱动轴的机械传动装置来实现将机械动力传输到超低温储存隔室内。在该情况下，系统仍然会具有在专用的门上提供驱动电动机的优点。

优选的机械手具有能够竖直地(竖直运动)、水平地(伸展运动)和在水平面内顺时针方向或逆时针方向转动(旋转运动)的伸出臂。在优选实施例中，由设置在超低温冷冻箱隔室内的磁耦合器驱动的链传动机构驱动这些运动中的每一种，虽然可以在超低温储存隔室内使用其他种类的传动机构。存放架优选是由关于保持机械手的伸出臂的转盘的转动轴线周向地设置的多个托盘柱组成的，除了其中设置有机械手部件的很小的圆周部分之外。利用该优选的配置，不需要电动机或者任何机构来转动固定的存放架，并且在存放架内的每个托盘位置可由转盘上的伸出臂来接近。此外，不需要为驱动轴提供穿过冷冻箱本体或者隔热门内壁的物理开口。

在本发明的另一方面，不管是否定位在门上，存取模块包括干燥气体刀(knife)，当进入该隔室的出入门被打开时，所述干燥气体刀吹出干燥气体帘(curtain)经过出入开口进入到超低温隔室内。一般地，周围的相对湿度会为大约40％-50％。一旦存取模块的盖被关闭，则干燥气体帘(例如，干燥空气或者干燥氮)开始按3-5立方英尺/分钟流动，并且指示系统或者将样品储存容器放置到超低温储存隔室内或者从该隔室中取回样品。当至超低温储存隔室内的出入门被关闭并且盖被关闭时一般向存取模块腔室内供给大约30秒种的干燥气体帘。盖子内的正压促使一些空气从存取模块腔室流出，使得在净化大约30秒之后盖子内部的相对湿度减小到平均大约5％-10％。优选是，使用相对湿度传感器来监控存取模块腔室内部的相对湿度，虽然同样可以使用基于时间的控制。当至超低温隔室的出入门被打开时，空气帘继续吹过开口，优选是从其顶部边缘处。已经发现，在没有干燥气体帘时，通过该开口的自然对流促使冷空气通过开口的底部冲出，并且相对温暖的湿空气通过开口的顶部冲进超低温隔室内。干燥气体帘用来扰乱该自然对流。此外，应相信，当出入门被打开时，干燥气体帘倾向于被稍微导入到超低温隔室内，从而呈现出进入到超低温隔室内的空气是相对干燥的。

系统还优选包括干燥气体放入系统，所述干燥气体放入系统包括放入超低温储存隔室内的受电控制的干燥气体和用于测量超低温储存隔室内压力的压力传感器。优选是，在专用的门上设置干燥气体进口，同样设置出口。电磁阀控制干燥气体通过干燥气体进口流入到储存隔室内的流动以及通过出口从超低温隔室中流出的流动。压力传感器监控冷冻箱储存隔室内的压力并且在该隔室内的压力降低到大气压力以下的情况下指示系统放入干燥气体。将超低温储存隔室内的压力维持为大气压力或以上有助于防止湿气通过冷冻箱隔室和冷冻箱门之间的密封件进入以及通过可能泄漏(即使极少)的任何其他密封件或部件进入。在系统启动期间，通常干燥气体以比较高的流量进入储存隔室内以便平衡当系统开始冷却到-80℃时的压力。在冷冻箱正常工作期间，冷冻箱的压缩机将间断地循环，通常在-82℃/-83℃到-77℃/-78℃之间，促使储存隔室内的压力上升或下降。在所述循环期间，干燥气体的气流通常处于低流速，例如，3立方英尺/小时，以便平衡压力。

优选的系统可以还包括保持管拾取机构的管拾取腔室。管拾取腔室优选结合到隔热门内。在管拾取腔室和超低温储存隔室之间设置出入闸板，并且优选设置成，使得用于机械手的伸出臂可以供给并且从管拾取机构上取回平板。在正常的储存状态下，用于管拾取腔室的出入闸板保持关闭，以将管拾取腔室与超低温储存隔室隔离。当需要进入管拾取腔室时，将干燥气体导入到管拾取腔室内，闸板被关闭，以便减小隔室内的相对湿度。在管拾取腔室内设置相对湿度传感器以用于该目的。当相对湿度已经下降到所希望的水平时，例如小于2％的相对湿度时，打开出入闸板并且允许冷空气从超低温储存隔室流入到管拾取腔室内。还在管拾取腔室中设置温度传感器。根据需要打开和关闭出入闸板以使管拾取腔室中的温度维持为高于超低温储存隔室中超低温度的冷冻温度，优选-5℃到-20℃，例如大约-20℃。以该方式，管拾取机构和其机械与电部件可以在极大地提高了可靠性的不太恶劣的环境下工作。另一方面，通过使管拾取腔室维持在低于冰点的温度下，管储存容器中希望被取回的其他样品不必退出系统。这不仅防止了其他样品过早地解冻和损害，而且降低了湿气流入超低温隔室内的风险。此外，可以以比较快的速度来将管储存容器移动到管拾取隔室内并且移动出该隔室，从而缩短了未选择取回的样品在-80℃环境外的暴露时间。

如所提到的，存放架在超低温室内保持固定，这在机械上简化了系统。机械手优选包括支承伸出臂的转盘。转盘具有平行于并偏离竖直的导螺杆的旋转轴线，从竖直的导螺杆到转盘存在支承结构。机器手机构已经被简化，从而竖直导螺杆和用于伸出臂垂直导轨不会关于转盘的轴线转动。该简化的结构是耐用的并且在机械部件没有过量运动的情况下有利于伸出臂的精确定位。对于精度来说最关键的运动度是转盘和伸出臂的旋转运动。转盘优选被连接到驱动电动机中的一个上的齿轮来驱动，并且可以在任一方向上转动。为了使机械齿间隙(backlash)最小并且提高定位精度，优选刚好在将样品储存容器放置到存放架中或者从其中取回之前总是在相同方向上转动转盘。例如，可能希望刚好在放置或取回之前转盘总是按顺时针方向转动。如果运动需要逆时针旋转，则刚好在放置或者取回之前，系统优选在逆时针方向上超过并且然后在顺时针方向上返回。

当参见以下附图及其说明时，本发明的其他特征和方面对本领域技术人员来说可以是显而易见的。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的用于在超低温度下储存容器的一自动储存和取回系统的透视图。

图2是图1中所示的超低温度的自动储存和取回系统的分解图。

图3是主要显示将其上安装有固定存放架和机械手的框架插入到超低温冷冻箱的储存隔室中的局部分解图。

图4是显示在冷冻箱本体上未安装有专用的隔热门并且存放架和机械手安装在冷冻箱本体的储存隔室内部的情况下的图1的系统的透视图。

图5是显示框架上安装有固定存放架和机械手的图1的系统的内部部件的透视图。

图6是示出机械手的链条驱动的示意图，所述链条驱动按照图1中所示的发明的实施例来使用。

图7是俯视机械手的部件的剖视图。

图8是已经移除了各个部件的隔热的冷冻箱门的正面透视图。

图9是示出隔热的冷冻箱门的优选结构的分解图。

图10是图1中所示的整个系统的视图，所述系统已经除去了部分以便通过示意图来察看内部部件。

图11-13示出了根据本发明的一个方面的存取模块的机械手的伸出臂和干燥空气刀的操作。

具体实施方式

附图示出了本发明优选实施方式的各个方面。参见图1和2，自动化的储存和取回系统10被配置成在超低温度下储存样品的储存容器(例如，微孔板、用于保持密封好的存储管的存放架或者储罐。如所提到的，系统10优选被设计成储存适合于SBS脚印(footprint)的储存容器。系统10通常包括用于标准的超低温冷冻箱的冷冻箱本体12、内部存放架与机械手组件14、专用的隔热门16和配电箱18。优选的冷冻箱本体12是从ThermoScientific处购买的Forma 907系列的直立的-86℃的冷冻箱本体，其被设计成用于药物、生物技术和血库应用的超低温储存。所述市场上可买到的冷冻箱一般有安装好的存放架，虽然在本发明中未使用这些存放架。在这些冷冻箱12中，如所提到的，冷冻箱隔室24一般镶有不锈钢板，然而，闭孔泡沫绝缘体将冷冻箱隔室相对于周围环境密封。储存隔室24的优选尺寸在从大约19立方英尺到28立方英尺容量的范围内。冷冻箱本体12包括沿门开口的双重或者三重密封件20以减少进入储存隔室内的热和湿气，如现有技术中已知的一样。虽然如所提到的，优选的冷冻箱本体12是直立的Forma 907，但是能够冷却到-80℃的其他标准的冷冻箱可以同样适合。

隔热的专用门16包括隔热面板17和几个其他部件。门16包括存取模块22，样品储存容器被放置在所述存取模块22中以便用于传输到冷冻箱隔室24中的存放架46(图3)内。电控制和气动组件26也被安装到隔热门16上，如伺服电动机28和图3中用于驱动机械手48的磁耦合器。隔热门16还包括管拾取器隔室30，在该管拾取器隔室30中存在有管拾取器具32。具有窗口的内侧盖34被永久地安装到隔热门面板17的外侧，以便包围管拾取腔室30。装饰性的盖36、38被安装到隔热门面板17的前面。上部装饰性的盖38具有优选由烟色(smoked)的聚碳酸酯制成的窗口40以允许通过内侧盖34上的窗口观察管拾取器具32。设置在冷冻箱本体12的顶部上的箱18优选容纳有电子控制器、电力分配电子设备、电池并且还包括用于压缩的干燥气体源(未显示)的进口。优选的干燥气体源来自于供给液氮的储柜，以便露点好于-70℃，虽然可以使用压缩的干燥空气或者干氮的其他来源。如现有技术中已知的，使用铰链42和锁存器44将隔热的前门16安装到冷冻箱本体上。虽然在图1中未示出，但是系统10可以包括如现有技术中已知的的监视器和用户界面，例如，与TekCel^TM生物储存单元或者Hamilton储存技术TubeStor^TM一起使用。

图3-7示出了固定的存放架46与机械手48的优选结构、它们到刚性框架50上的连接和它们在冷冻箱隔室24内的放置。在图3中，框架50是由1英寸的不锈钢管制成的。顶部支承板52(也是由不锈钢所制成的)被附接到框架50的顶面上。由不锈钢制成的下部支承板54被安装到框架50的下半部分上。存放架46被安装到支承板54、52上。机械手48被间接地安装到板52、54上，如在图5中最佳地示出。框架50包括可调节的支腿56，所述可调节的支腿56用来当框架50被放置在冷冻箱隔室24内时使存放架和机械手模块14平衡。如在现有技术中已知的，最好将模块14放置在1/8英寸的不锈钢板58上，以便在隔室24内分配载荷。板58包括支托60，所述支托60用于将不锈钢板58固定在冷冻箱隔室24中的底板上的适当位置。类似地，框架50包括支托62，所述支托62被旋拧到冷冻箱隔室24的侧壁上。支托60、62用来使模块14在冷冻箱隔室24内保持稳定。注意到，标准的冷冻箱一般衬有不锈钢板，可以使用螺钉将支托60、62容易地附接到所述不锈钢板上。框架50、支承板52、54以及用于存放架46的支承柱和机械手48的部件是由不锈钢制成的。因此，由于储存隔室内的超低温度所引起的材料的收缩始终相对一致，并且在模块14已经被放置并安装到冷冻箱隔室24内并且系统已经被冷却之后几乎不或者不需要补偿热变形。

图4显示了放置和安装在冷冻箱隔室24内的存放架和机械手模块14。在图4中，已经移除了隔热门16以显示出冷冻箱隔室24内部的模块14，虽然为了说明性的目的显示了附接到门16上的一些部件。更具体地说，用于驱动机械手的三个伺服电动机28A、28B和28C被安装到专用的隔热门17上或者安装在其内。通过电子控制系统响应来自用户的请求来控制伺服电动机28A、28B和28C以将样品储存容器放置在系统内或者从系统10中取回样品。优选的伺服电动机是无刷的交流伺服电动机，例如，额定转矩为11.2英寸磅、额定功率为400瓦并且额定转速为3,000转/分钟(rpm)的NEMA型额定伺服电动机。可替代地，可以使用合适的步进电动机。在图4中，伺服电动机28A控制机械手伸出臂64的竖直运动，伺服电动机28B控制伸出臂64的旋转运动，并且伺服电动机28C控制伸出臂64在伸出方向上的运动。伺服电动机28A、28B和28C被安装到门17的面板66上。图4中示出的面板66实际上是隔热门17的一部分。伺服电动机的安装轴被安装到塑料的、耐热的轴68A、68B和68C上。耐热的轴68A、68B、68C穿过隔热门面板17内的绝缘体(图4中未示出)。一组磁耦合器70A、70B、70C被附接到耐热的轴68A、68B和68C的远端上。耦合器70A、70B、70C设置在隔热门17内、隔热门17内侧表面上的水平面板72的下方，参见图9。为更好地显示出耦合器70A、70B、70C，在图4-5中未示出面板72。水平面板72优选是由称为G10复合材料的玻璃纤维/环氧树脂的复合材料制成的，所述复合材料相对有效地抗热传递。

在冷冻箱隔室24内，设置有另一组磁耦合器72A、72B、72C。优选的磁耦合器是来自Magnetic Technologies的MTD-2型，虽然可以使用其他种类的磁耦合器，例如，有时被用于低温应用中的那些。如上所述，磁耦合器的使用，允许将机械动力从伺服电动机28A、28B、28C通过耐热板72传输到冷冻箱隔室24内以驱动机械手48，该伺服电动机28A、28B、28C位于超低温冷冻箱隔室24的外部。

参见图6，优选的机械手驱动机构74是滚子链传动系统。每个耦合器72A、72B、72C具有轴76A、76B、76C，链轮78A、78B、78C被附接到轴76A、76B、76C上。轴76A、76B、76C在其上端处被附接到安装在框架50上的支托80上，优选使用无润滑的轴承，虽然可能希望使用干膜润滑，例如参见图4。还参见图6，不锈钢滚子链80A、80B、80C与每个链轮78A、78B、78C相关。链轮78A、78B、78C优选是由不锈钢制成的并且设计成能匹配美国国家标准协会(ANSI)尺寸35的滚子链。在图6的顶部以虚线来显示机械手基板82。机械手基板82被间接地安装到框架50和其下部支承板54上，虽然在图中难以看到安装附件。竖直导螺杆84利用轴承被安装到基板82上，旋转控制杆86和伸出臂的延伸杆88也一样。杆86和88优选具有一正方形横截面，如图5中所描绘的。链轮90A、90B、90C被分别附接到导螺杆84和杆86、88上。支托92也被安装到机械手基板82上。支托92为线性导轨94提供了安装件。

虽然图6中所示的机械手驱动机构使用滚子链，但是可能希望使用其他类型的驱动系统，例如，不锈钢同步带，或者使用中间惰轮的齿轮系。另外，在一些状况中，可以希望利用从门17穿入到冷冻箱隔室24内的机械驱动轴来替代两组磁耦合器70A、70B、70C和72A、72B与72C，或许具有与用于驱动导螺杆84和杆86、88的合适的齿轮相配合的斜齿轮。与使用磁耦合器相比，可能不太希望采用这样的配置，虽然从热量和湿气进入冷冻箱隔室的观点来看，其可能是合适的，只要使用围绕穿入到冷冻箱隔室24内的旋转轴的合适的密封件，例如旋转的唇密封件。

图7显示了当机械手伸出臂64安装到根据本发明的转盘96上时的俯视图。伸出臂支承板98使用轴承100被安装在垂直导轴94上。竖直的导螺杆84穿过支承板98中带螺纹的通孔或者穿过附接到支承板98上的带螺纹的联接器102。通过转动竖直导螺杆84来升起和降下支承板98以及伸出臂94。支承板98包括用于竖直支承棒104的开口。支持棒104跨置在下部基板82和用于机械手106的上部板之间，图5。旋转驱动齿轮108被连接到旋转驱动轴86上。旋转驱动齿轮108上的齿与转盘96上的齿啮合。当旋转轴86转动时，转盘96依次转动。

伸出臂64被安装到转盘96上，并且当转盘96转动时转动。伸出臂64包括能够使伸出臂64伸出和缩回的滑动机构。伸出臂机构110的基座被附接到转盘96上。伸出臂导向棒112从基座110延伸，并且主伸出臂平台64被可滑动地安装在棒112上，优选使用无润滑轴承，虽然对于该目的可能希望使用干膜润滑。带有齿的线性齿条114被附接到伸出臂平台64上。齿轮116被安装到伸出臂延伸棒88上，并且齿轮116的齿与惰轮118上的齿啮合。惰轮118上的齿还与附接到伸出臂平台64上的线性齿条114上的齿啮合。因此，伸出臂64根据轴88的转动延伸或者缩回。还注意到，当转盘96逆时针方向转动时，其促使伸出臂64缩回。该缩回通过控制系统来补偿。

伸出臂优选包括带有侧壁的托盘120以及后部挡块122和前部唇缘124。优选选择挡块122和唇缘124以及托盘120的侧壁之间的尺寸以得到根据SBS标准用于微板的标准脚印尺寸，即，3.3654乘5.0299英寸。

优选使用轴承将竖直导螺杆84和杆86、88的顶端安装到顶板106上以允许转动，而其他的轴94、104按固定方式被安装到板106、82上。使用无润滑轴承通常应当是合适的，虽然可能希望使用干膜润滑剂。对于-80℃的环境不推荐湿式润滑剂。

如上所述，重要的是，转盘和伸出臂的旋转运动是精确的。为了使机械齿间隙最小并且提高定位精度，优选刚好在将样品储存容器放置到存放架中或者从其中取回之前总是在相同方向上转动转盘。优选是，刚好在放置或者取回之前总是按顺时针方向转动转盘96。如果机械手的运动需要逆时针旋转，则刚好在放置或者取回之前，系统优选按逆时针方向超过并且然后按顺时针方向返回。

参见图5，存放架46优选是按三个竖直列128的组126被集中在一起。优选使用螺钉，将组126附接到安装在框架50上的上部支承板52和下部支承板54上。当安装好时，存放架46包围机械手48和伸出臂64，除了转台支承板98、竖直导螺杆84和竖直导向棒94所处的区域。如在现有技术中已知的，存放架46的结构允许托盘设置在不同的高度处，以便适应具有不同高度的样品储存容器。

现在参见图8和9，用于专用隔热门的面板17包括外壳130、内壳132和耐热的面板134。外壳130包括当内壳132附接到外壳130上时用于使内壳132的位置保持稳定的支座136。虽然在图中未示出，但是完全构造好的门面板117具有闭室聚氨酯泡沫隔热体，该隔热体被注射在外壳130和内壳132之间。优选的绝缘体每英寸的R值为6到8。耐热的面板132优选是由上述的G10材料制成的，所述G10材料是耐热的玻璃纤维/环氧树脂的复合材料。耐热的面板134优选地利用在其之间的垫圈被安装到内衬套132上，虽然在图中未示出该垫圈。

真空释放阀138被安装到门面板17上，并且通过内衬套132中的开口暴露于冷冻箱本体12内部的超低温冷冻箱隔室24。门面板17包括干燥气体进口140，所述干燥气体进口140为干燥气体进入超低温冷冻箱隔室24提供了通路。通过图2中所示的电磁阀控制系统26来控制通过端口140放出到系统内的干燥气体。门面板17还包括出口，所述出口提供了从超低温冷冻箱隔室24通过受控的电磁阀系统至系统外部的通路，参见图2，附图标记26。真空释放阀138是现有技术中用于超低温冷冻箱系统的标准件。在标准系统中，真空释放阀138的用途是当开始从室温冷却到-80℃或者当门被打开时平衡压力。因为当冷却到超低温度时的显著的压力降，所以不提供压力释放可能很难打开门并且还可能破坏冷冻箱内部的材料。在本系统中，提供真空释放阀138作为在冷冻箱隔室24内部存在相当大的负压的情况下的紧急超控。然而，在正常作业下，系统10通过干燥气体进口140将所需的干燥气体排放到冷冻箱隔室24内或者使来自冷冻箱隔室24的空气通过出口142渗漏以平衡冷冻箱隔室24中的压力。在这方面，压力传感器(未显示)监控电磁阀上游的出口142处的压力，所述电磁阀控制通过出口142的流动。优选是，干燥气体流入到冷冻箱隔室24内或者释放到大气中以将冷冻箱隔室24内的压力保持为大气压力或者在其附近。例如，在开始冷却期间，冷冻箱隔室24必须从室温冷却到大约-80℃。在这个时候，空气以相对高的速率流入到系统内以维持冷冻箱隔室24内的压力，其还很好地起减小冷冻箱隔室24内的相对湿度的作用。一旦系统10已经开始冷却，则冷冻压缩机将间断地循环以便将温度维持在大约-80℃。因此，超低温冷冻箱隔室内部的温度可能在重复的基础上在大约-82℃/-83℃到-77℃/-78℃之间循环。由于温度的该变化，如果不控制的话，冷冻箱隔室24内部的压力通常会波动。当冷冻箱隔室24内出现负压时，空气和湿气很可能漏入到冷冻箱隔室24内或者穿过密封件进入冷冻箱隔室24。通过利用受控的干燥气体到冷冻箱隔室24内的排放(例如，3立方英尺/小时)，可以减少空气和湿气到冷冻箱隔室24内的漏入和进入。此外，在重复的基础上当温度相对低时向冷冻箱隔室24内供给干燥气体并且当温度相对高时允许一些空气从系统泄漏有助于减少冷冻箱隔室24内的湿度和霜冻。

仍然参见图8和9，隔热门面板17包括检修开口144，所述检修开口144通常被关闭并且装填有隔热塞(未显示)。检修开口144提供了通常在系统开始冷却之前通过门17进入冷冻箱储存隔室24检修机械手的通路。图8和9中所示的门17还具有用于存取模块22的开口146和用于管拾取器32的室148。

现在参见图10-13，存取模块22包括可移动的托盘150，在所述托盘150上放置样品储存容器152以用于输送到超低温储存隔室24中或者用于从储存隔室24取回。存取模块22包括门154，所述门154利用气动控制的机构等来打开和关闭，以提供进入冷冻箱隔室24和从其中出来的通路。聚碳酸酯的盖156以及托盘150的运动优选通过步进电动机(例如，NEMA型号17的步进电动机)来控制。存取模块22还包括覆盖托盘150的聚碳酸酯盖156，微板或者管存储板152被放置在该托盘150上。存取模块22内的室一般处于室温下，甚至当聚碳酸酯盖156被关闭时。用于将托盘150从存取模块22移动到冷冻室24内和用于打开及关闭门154的机械系统与在前述系统中所使用的相似。此外，现有技术中已知的是，为存取模块22装备用于读取进入该系统或者被从该系统中取回的容器150中的存储管的底部上的条形码的二维条形码读出器以及读取进入该系统或者被从该系统中取回的容器150上的条形码的一维条形码读出器。条形码信息被用来管理在储存隔室24内的板和管的位置。

根据本发明的一个方面，向气刀158提供干燥气体，图11-13。气刀158被安装在存取模块32室内，沿开口146的顶部边缘进入到被门154盖住的冷冻箱隔室24内。商业上可得到的铝气刀适合于该应用，例如，由AiRTX国际公司制造的82000S1imLine铝气刀。干燥气体、干燥空气或者氮通过气刀158的流动由计算机控制的电磁阀来控制。干燥气刀158的一个用途是当聚碳酸酯盖156被关闭并且系统准备将样品储存容器152放置到冷冻箱隔室24内或者从冷冻箱隔室24中取回容器152时减少存取模块22内的湿气。图11、12和13示出了根据本发明的该方面将样品储存容器152放置到的冷冻箱隔室24内的过程。首先参见图11，样品容器152被放置在用于存取模块22的可滑动托盘150上并且关闭盖156。优选是，盖156当被关闭时未形成空气密封。一旦关闭盖156并且指示系统10将样品储存容器152放置在冷冻箱隔室24内的存放架46中，则控制系统将开始向气刀158供给干燥气体。气刀158向存取模块22中的腔室内输出干燥气体帘并且在关着的门154前面通过。优选是，在用于存取模块22的室内设置湿度传感器。优选的湿度传感器是Honeywell HIH-4000系列的湿度传感器。此外优选的是，进入冷冻箱隔室24的门154保持关闭并且气刀继续将干燥空气帘160吹入用于存取模块22的室内，直到所述室内的相对湿度为大约5％-10％。这在正常工作状态下通常将花三十秒种。可替换地，代替使用湿度传感器，系统可以按时间基准来操作，在该时间基准下，可以估计用于将干燥气体吹入到用于存取模块22的关闭室内的时间，从而该室内的湿度优选为大约5％-10％RH。

一旦存取模块室22内已经达到所要求的5％-10％的相对湿度，则打开门154，如图12中所示。在门154已经被打开之后，干燥空气帘160继续吹过开口148。如所提到的，已经发现，当打开门154时通过开口148的自然对流是冷空气沿开口148的底部冲出冷冻箱隔室24并且热空气通过开口148的上部冲入冷冻箱隔室24内。干燥空气帘160的另一用途是干扰该自然对流。此外，应相信，干燥空气帘160中的一些干燥空气流入到超低温储存隔室24内，从而有助于进一步减小冷冻箱隔室24内的湿度。一旦门154被打开，则用于存取模块22的托盘150延伸到冷冻箱隔室24内，而同时用于机械手48的伸出臂64延伸，以便将样品储存容器152从存取模块托盘150传输到用于机械手48的伸出臂64。优选是，用于存取模块22的托盘150实质上延伸到冷冻箱隔室24内的具有固定存放架46的空间内。在传输时，托盘150被缩回，如伸出臂64一样，如图13所示。气刀158继续排出干燥空气帘160直到门154被关闭。

当从系统中取回存储板152时，图11、12和13中所描述的操作顺序是非常类似的，除了使用机械手48上的伸出臂64将微板152从冷冻箱隔室24的内部输送到用于存取模块22的可滑动托盘150，而不是反之亦然。换句话说，根据发明的该方面，关闭用于存取模块22的聚碳酸酯盖156仍然是重要的，参见图11。然后，操作气刀158将干燥空气帘吹入到存取模块22内，以在打开门154之前将存取模块22内的相对湿度减小到大约5％-10％。然后，当打开门154来利用机械手伸出臂64将样品储存容器152从冷冻箱隔室24传送到可滑动的托盘150上并且放入到存取模块22内时，继续从气刀154吹出干燥空气帘。并且最后，在已经通过托盘150将样品储存容器152传送到存取模块22内之后关闭门154。

优选是，使用光电传感器来确定冷冻箱隔室24的外部运动。例如，希望使用光电探测器来确认覆盖进入冷冻箱隔室24的开口146的门154是否被打开或者关闭，确定用于存取模块22的盖156是否被打开或者关闭，并且确认托盘150是否处于完全缩回位置或者完全伸展位置。此外，虽然在图中未示出，但是希望提供竖直串联的光传感器，所述光传感器在将容器152输送到冷冻箱隔室24内的存放架中之前探测放入到存取模块22中的托盘150中的样品储存容器152的高度。优选是，处于竖直串联中的每个传感器被最佳地放置，以探测该行业中用于微板或者管存放架的最共同的高度。例如，最低的光电探测器优选地检测浅井(shallow well)微板的存在，但是浅井微板不会触发位于高于最低探测器(14.35mm)的高度处的探测器。第二低的探测器优选探测一半高度的储存容器，第三探测器优选被放置在完全高度的储存容器的高度处；第四探测器优选位于50mm处；并且第五探测器优选位于75mm处。以该方式，控制系统可以确认样品储存容器152将装配到储存隔室24内的指定位置中。用于每个存储位置的高度优选在计算机控制系统内被标记出。

再参见图10，优选的专用隔热门16还包括用于保持管拾取器具32的隔室30。可以指示机械手48将容纳有密封的生物制品或者化学样品的存储管的储存容器传送到冷冻箱隔室24内的一位置处，以用于将样品储存容器输送到与驻留在隔室30中的管拾取器具32相关联的滑动托盘162。管拾取器隔室30包括提供从冷冻箱隔室24通向管拾取腔室30的通路的开口164(图8和9)，反之亦然。出入闸板或者门166打开和关闭以提供通路，所述出入闸板或者门166由受气动控制的机构所控制。在图10中，门166处于打开位置，以用于往复移动板进入和离开管拾取器隔室30。本发明未陈述管拾取器具本身的操作和结构。然而，本发明的一个方面是要控制管拾取腔室30内的环境。根据本发明的该方面，管拾取腔室30被冷却到大约-5℃到-20℃的温度，优选大约-20℃。以该方式，如所提到的，管拾取机构32可以在不太恶劣的环境下工作，这极大地提高了其可靠性。此外，干燥气体供给端口(未显示)通过电控制的电磁阀向腔室30内提供干燥气体，以便在打开门166之前将腔室30内的湿度降低到(例如)小于2％的相对湿度。优选在腔室30内设置湿度传感器(未显示)，以便监控室内的湿度并且从而控制干燥气体的流动。一旦腔室30已经达到相对湿度的期望水平，则然后控制系统打开门166以将腔室30冷却到大约-20℃的所期望的中间冷却温度。在腔室30内设置温度传感器(未显示)。当管拾取机构32被使用时，系统优选试图通过打开和关闭门或者相应地闸板166，来将腔室30内部的温度维持在-20℃。这允许单个制冷系统来支持两种环境。如所提到的，在系统10内使用分开的受气候控制的管拾取腔室30排除了当希望从系统10中取回不同储存容器的样品管时通过存取模块22从系统10中取回多个储存容器的需要。因此，该特征不仅防止了其他样品过早地解冻和损害，而且降低了湿气流入超低温冷冻箱隔室24内的风险。此外，利用该配置，可以以相对快的速度将管存储容器移动入和移动出管拾取器隔室30，例如，每个存储容器一分钟或两分钟。因此，该配置缩短了未选择取回的样品在-80℃环境外的暴露。

本文中已经关于超低温储存环境来描述了本发明，然而，本文中描述的许多特征可用于在高于超低温度范围的冷冻温度下储存样品的传统的冷冻箱储存系统。例如，本发明的许多特征可应用到将冷冻箱隔室维持为-20℃的传统的冷冻箱系统。

Claims (23)

1.一种用于在超低温度下储存样品储存容器的自动化储存和取回系统，该系统包括：

冷冻箱本体，其具有超低温、隔热的隔室，当在该超低温隔室中储存生物或者化学样品时的正常工作状态下，该超低温隔室维持在从大约-50℃到-90℃的超低温度下；

框架，其定位在该超低温冷冻箱隔室内；

至少一个具有托盘的存放架，其用于储存保持生物或者化学样品的储存容器，该存放架被安装到该框架上；

机械手，其定位在该超低温冷冻箱隔室内并且也安装到该框架上，该机械手具有用于在该冷冻箱隔室内传输储存样品容器的、自动地控制的伸出臂；

隔热的冷冻箱门，其被安装到该冷冻箱本体上并且在该系统的正常工作期间被关闭；

位于该门上的存取模块，其用于将样品储存容器引入到该超低温冷冻箱隔室内并且当该门被关闭时通过该门从该超低温冷冻箱隔室取回容器，该存取模块提供了腔室，在提供进入该超低温冷冻箱隔室的通路之前在该腔室中清除湿气；

机械手驱动电动机，其安装到在该超低温隔室外部的该门上；以及

传动装置，其将来自该超低温隔室外部的该机械手驱动电动机的动力传输给该超低温隔室内部的机械手。

2.一种如权利要求1所述的系统，其中该超低温隔室中的该样品储存容器中的至少一些保持包含有生物样品的密封管，并且该系统还包括位于该门上的管拾取隔室，该门包含管拾取机构并且还具有检修门，以通过该机械手在该管拾取器隔室和该冷冻箱内的该超低温储存隔室之间提供通路，该管拾取腔室维持为冷冻温度，该冷冻温度高于在该冷冻箱储存隔室中保持的超低温度。

3.一种如权利要求2中所述的系统，其中通过将空气从该超低温储存隔室放入到该管拾取腔室内来部分地维持该管拾取腔室中的温度。

4.一种如权利要求1所述的系统，其中该传动装置包括第一组磁耦合器和第二组补充的磁耦合器，所述第一组磁耦合器安装到来自安装到该门上的该机械手驱动电动机的输出轴上并且位于该超低温隔室的外部，该第二组补充的磁耦合器各安装到用于控制该超低温隔室内的该机械手的运动的驱动器上，该补充的磁耦合器位于该超低温冷冻箱隔室内。

5.一种如权利要求1所述的系统，其中该传动装置包括机械耦合器，该机械耦合器将该机械手的驱动电动机连接到该超低温冷冻箱隔室内部的该机械手驱动机构上，该机械耦合器穿过该门的内表面并且连接到该超低温隔室内部的机械手上。

6.一种如权利要求1所述的系统，其中该冷冻箱本体具有连续的内壁，所述内壁除了该门之外没有任何机械部件穿过。

7.一种如权利要求1所述的系统，其中该门包括检修开口，该检修开口提供了至该超低温冷冻箱隔室内的该机械手驱动机构的通路，当不检修该系统时，该检修开口在系统安装好之后通常利用隔热插塞来封闭。

8.一种如权利要求1所述的系统，其中该存取模块还包括干燥气体刀，当至该超低温冷冻箱隔室内的该检修门打开时，该干燥气体刀将干燥气体帘吹过该检修开口。

9.一种用于在超低温度下储存样品储存容器的自动化储存和取回系统，该系统包括：

冷冻箱，其具有超低温隔室，当在该隔热的超低温隔室中储存生物或者化学样品时的正常工作状态下，该超低温隔室维持在从大约-50℃到-90℃的超低温度下；

存放架，其具有用于储存样品储存容器的托盘；

机械手，其定位在该隔热的超低温冷冻箱隔室内，该机械手具有用于在该冷冻箱隔室内传输样品储存容器的、自动地控制的伸出臂，该机械手还具有定位在该超低温冷冻箱隔室内的机械传动部件；

存取模块，其用于将样品储存容器引入到该超低温冷冻箱隔室内并且用于从该超低温储存隔室取回容器，该存取模块提供了腔室，在提供进入和离开该超低温储存隔室的通路之前在该腔室中清除湿气；

机械手驱动电动机，其安装到在该超低温储存隔室的外部；以及

磁耦合器，其用于将动力从该超低温室外部的机械手驱动电动机传输给该超低温隔室内部的机械手的驱动机构。

10.一种如权利要求9所述的系统，其中该机械手驱动电动机在正常工作状态下被安装在关于该冷冻箱的固定位置上。

11.一种如权利要求9所述的系统，其中该磁耦合器包括第一组磁耦合器和第二组补充的磁耦合器，所述第一组磁耦合器安装到来自安装到该门上的该机械手驱动电动机的输出轴上并且位于该超低温隔室的外部，该第二组补充的磁耦合器各安装到用于控制该超低温隔室内的该机械手的运动的驱动器上，该补充的磁耦合器位于该超低温冷冻箱隔室内。

12.一种如权利要求11所述的系统，其中该冷冻箱包括隔热的冷冻箱本体和隔热的冷冻箱门，所述冷冻箱门安装到所述冷冻箱本体上并且在该系统的正常工作期间被关闭，并且其中该机械手驱动电动机和该第一组磁耦合器被安装到在该超低温隔室的外部的该隔热的冷冻箱门上。

13.一种如权利要求12所述的系统，其中该超低温的冷冻箱隔室不包含任何穿过的部件以驱动该机械手。

14.一种用于在超低温度下储存样品储存容器的自动化储存和取回系统，该系统包括：

冷冻箱，其具有隔热的超低温隔室，当在该超低温隔室中储存生物或者化学样品时的正常工作状态下，该超低温隔室维持在从大约-50℃到-90℃的超低温度下；

存放架，其具有用于储存保持生物样品的样品储存容器的托盘；

机械手，其定位在该超低温冷冻箱隔室内，该机械手具有用于在该超低温冷冻箱隔室内传输样品储存容器的、自动地控制的伸出臂；以及

存取模块，其用于将样品储存容器引入到该超低温冷冻箱隔室内并且用于从该超低温储存隔室取回容器，该存取模块提供了腔室，在提供进入该超低温储存隔室的通路之前在该腔室中清除湿气；以及

此外，其中该机械手为该伸出臂提供了沿三个自由度的受控运动，该三个自由度包括实质上竖直的运动、实质上水平的运动和旋转运动，并且其中该机械手还包括转盘，该转盘支承该伸出臂并且其具有旋转轴线，该旋转轴线平行于且偏离在该超低温室内的沿固定的竖直轴线驻留的竖直导螺杆。

15.一种如权利要求14所述的系统，其中该存放架包括关于该转盘的旋转轴线周向地设置的多个托盘柱，除了其中存在有竖直导螺杆和转盘支承机构的一部分圆周。

16.一种如权利要求14所述的系统，其中该存放架被固定在该超低温冷冻箱隔室内的位置中并且不会在其中转动。

17.一种如权利要求14所述的系统，还包括位于该隔热的超低温冷冻箱隔室内的框架，其中该机械手安装到该框架上。

18.一种如权利要求15所述的系统，还包括安装到该框架上的上存放架支承板和下存放架支承板，该存放架安装到该支承板中。

19.一种如权利要求14所述的系统，其中该机械手包括用于三个运动自由度中的每一个的传动机构，并且各传动机构是由链条传动和齿轮组成，其进而为该伸出臂传递运动。

20.一种如权利要求13所述的系统，其中该转盘能够在第一方向和第二方向上转动，并且该系统还包括用于操作该机械手控制装置，以便将样品储存容器放置在该存放架中的托盘中或者从其中取回，从而该转盘在放置和取回之前在第一方向上转动，以便最小化由于机械齿间隙所产生的定位不准确度。

21.一种用于在超低温度下储存样品储存容器的自动化储存和取回系统，该系统包括：

冷冻箱，其具有隔热的超低温隔室，当在该超低温隔室中储存生物或者化学样品时的正常工作状态下，该超低温隔室维持在从大约-50℃到-90℃的超低温度下；

存放架，其具有用于储存保持生物样品的样品储存容器的托盘；

机械手，其定位在该超低温冷冻箱隔室内，该机械手具有用于在该超低温冷冻箱隔室内传输样品储存容器的、自动地控制的伸出臂；以及

存取模块，其用于将样品储存容器引入到该超低温冷冻箱隔室内并且用于从该超低温储存隔室取回容器，该存取模块提供了腔室，在提供进入该超低温储存隔室的通路之前在该腔室中清除湿气；

压力传感器，其用于监控该超低温冷冻箱隔室内部的压力；

干燥气体源；以及

干燥气体进口，通过该干燥气体进口可以将干燥气体从该干燥气体源供给到该超低温冷冻箱隔室内。

22.一种如权利要求21所述的自动化储存和取回系统，还包括电控制的阀，该阀用于控制通过该干燥气体进口进入到该超低温冷冻箱隔室内的干燥气体的流动。

23.一种如权利要求21所述的自动化储存和取回系统，还包括具有电控制的阀的出口，该出口用于允许空气在受控的基础上从该超低温冷冻箱隔室中离开。

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