CN1505747A - 用于冷藏箱的自动存储和取出装置及其相关的方法 - Google Patents

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B·肖恩·格雷夫斯
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Abstract

自动冷藏装置(1)及其相关方法，提供了一个样本处理过程管理系统，它是存储和取出苛刻样本的革命性途径。容器中的样本通过一个气闭气候控制小室(60)被自动存储和取出，该气闭气候控制小室(60)通过干燥气体净化(如二氧化碳或氮净化等)自动除湿。这一净化迅速把环境湿度降低到所希望的相对湿度(RH)，例如小于15％RH左右，实际上消除了霜的积累。使用例如条形码技术对微型盘系统地加以标识。一旦通过了气候受控小室(60)，这些容器(即样本)被自动传送到转动机构(43)。这一机构(43)把容器传送到存储装置(如圆盘传送带(20))上的一个导出的巢位置或一个静止地址(26、27)。

Description

用于冷藏箱的自动存储和 取出装置及其相关的方法
相关申请
本申请申明对序列号为60/227,166的美国临时申请(2000年8月23日提交，题为“用于冷藏箱的自动存储和取出装置及其相关的方法”)以及序列号为60/299,597的美国临时申请(2001年6月20日提交，题为“用于冷藏箱的自动存储和取出装置及其相关的方法”)的优先权，这里引用它们所公开的全部内容做为参考。
发明领域
本发明涉及用于超低温冷藏箱的自动存储和取出装置，更具体地说，涉及一种装置，它改善了与在其中存储物品相关联的气候的总体质量。
发明背景
生物技术和医学的进步要求分析日益增多的各种生物样本。许多生物样本必须存储在冰点温度以下以保存它们供日后参考、分析或使用。例如NDA、RNA、细胞和蛋白质样本以及对这些样本进行各种分析所必须的试剂都必须存储在超冷温度以防止退化，这种退化会影响对生物制品进行可靠的分析。
要把生物分子、细胞和组织(形态和活性)成功地保存较长的时间，通常需要在低于-80℃的温度存储。然而，在-196℃左右(-196℃是液体氮的沸点)会显著地改善贮藏寿命和恢复活着的细胞的能力。国家标准和技术研究所已经建议对低于-150℃(-238°F或开氏温度标度的绝对零度之上123°)的所有温度应用术语“深低温(cryogenics)”。一些科学家把氧的正常沸点(-183℃或-297°F)认为是上限。术语“超低温(ultra low temperature)”可能没有被任何标准化机构正式承认。然而，通常公认的说法是：冷藏箱是指在-5℃至-20℃范围内操作的存储装置，超低温是指在约-50℃至约-90℃范围内操作，而深低温冷藏箱是在约-140℃至-190℃范围内操作。
有许多问题伴随向普通实验室冷藏箱仓室放置样本和从中取出样本的过程。例如，在普通的冷藏箱仓室中，样本容器必须彼此前后放置和上下放置以最大限度地利用可用空间。即使容器有标准尺寸因而易于叠放，而且即使保持样本的位置清单，为了取出所希望的样品还是必须人工到处挪动这些容器。这样做是有问题的，因为它要求使冷藏箱门打开可能较长时间。使冷藏箱门保持开启造成冷藏箱仓室内部温度暂时上升，这能造成冷藏箱门附近放置的样本解冻。一旦冷藏箱关闭和温度降低，则样本重新冻结。这种重复的冻结和解冻能造成样本更迅速地退化。使冷藏箱门保持开启还会在冷藏箱仓室内造成结霜。由于重复开门，霜最终能使容器冻结在冷藏箱仓室底部或彼此冻结在一起。结果，门必须保持开启更长时间以使容器脱离霜冻，这只能加重这一问题。
对医院、研究单位和药物临床研究实验室中的高质量贮藏室的越来越多的需求为自动超冷存储装置提供了市场，这种装置将改善样本质量，组织存储，提供对全部标本的快速存取以及保持容器内存储的全部标本的电子记录。
授予Vago(维格)的并在这里纳入作为参考的美国专利5,921,102号利用一种特别带有自动插入和取出功能的存储装置。Vago作法的缺点是(但不限于此)它不能提供与冷藏箱关联的气候控制和各种互换装置以及其他特性和方面。
所以，本技术领域需要一种自动冷藏装置及其相关的方法，除了其他方面之外，它能提供更有组织的存储和取出装置，在冷藏仓室内较少积累湿气和霜，因样本取出造成的温度起伏较小而且能迅速随机存取所有标本。
发明内容
本发明的自动冷藏装置及其相关的方法提供了一个样本处理过程管理系统，它是存储和取出苛刻样本的革命性途径。该系统是在实验室自动化方面的重要技术突破，是能证明有效的第一个超低温自动操纵系统。容器中的样本通过一个气闭(airlock)气候控制小室(存取装置)被自动存储和取出，该气闭气候控制小室通过干燥气体净化(如二氧化碳或氮净化等)自动除湿。这一净化迅速把环境湿度降低到所希望的相对湿度(RH)，例如小于15％RH左右，实际上消除了霜的积累。使用例如条形码对微型盘(microplate)或存储容器等系统地加以标识。一旦通过了气候受控小室，这些容器(即样本)被自动传送到转动机构。这一机构把容器传送到存储装置(如圆盘传送带)上的一个导出的巢位置(nestlocation)或一个静态地址。只是为了演示的目的，传送带和静态巢可以有组合容量1,000个标准微型盘。预期可以设计出各种容量。
本发明优选实施例的自动存储和取出装置及其相关的方法在大约-50℃至大约-90℃的超低温操作。应该理解，该装置可以在-50℃至环境温度乃至更高温度范围内操作。本发明的冷藏箱仓室的正常设计操作温度是-80℃。应该指出，本发明预期在比超低温还冷的约-140℃至约-90℃范围内操作。如果由于某种原因(如维护或按计划时间表停止操作)使冷藏箱失灵，那么能方便地把液体二氧化碳泵入系统并使它保持在-78℃左右。通过安装液体二氧化碳瓶，能支撑该装置的超低温冷藏箱设置温度点(约-78℃)。
在一个方面，本发明的特点是一个自动存储和取出装置，用于在超低温或其他优选的温度存储容器。该装置包含：冷藏箱仓室，该冷藏箱仓室有一个侧壁；设置在冷藏箱仓室内用于存放容器的存储圆盘传送带；设置在侧壁上的气候受控小室；用于控制该小室气候的气候系统；以及被配置的交换机构。该交换机构被配置成：当在小室交换位置时，在交换机构和气候受控小室之间交换一个容器，在圆盘传送带交换位置时，在交换机构和圆盘传送带之间交换一个容器。该小室还被配置成：当容器被从外部放入或被放到外部时，使该容器与交换机构隔离，当在小室和交换机构之间交换该容器时，使该容器与外部隔离。
在一些实施例中，圆盘传送带可由静止的存储导轨代替，并可以增加附加的存储导轨。交换机构被配置成：当在导轨交换位置时在交换机构和导轨之间交换一个容器。
在第二方面，本发明提供一种自动存储和取出装置，用于在超低温或其他优选温度存储容器。该装置包含：冷藏箱装置，用于冷藏容器；放在冷藏箱装置内用于存放容器的存储装置；小室装置，用于在外部和冷藏箱装置之间交换容器；气候系统控制装置，用于控制小室装置的气候；以及交换装置。该交换装置用于：当在小室交换位置时，在交换装置和小室装置之间交换一个容器，当在存储交换位置时，在交换装置和存储装置之间交换一个容器。小室装置用于：当容器被从外部放入或被放到外部时，使容器与交换装置隔离，当在小室装置和所述交换装置之间交换容器时，使容器与外部隔离。
在第三方面，本发明提供在一自动装置的冷藏箱仓室内自动放置和存储容器的方法以及在一自动装置的冷藏箱仓室内存储和取出多个容器的方法。该装置包含：冷藏箱装置，用于冷藏容器；放在冷藏箱装置内用于存放容器的存储装置；小室装置，用于在外部和冷藏箱装置之间交换容器；气候系统控制装置，用于控制小室装置的气候；以及交换装置。该交换装置用于：当在小室交换位置时，在交换装置和小室小装置之间交换一个容器，当在存储交换位置时，在交换装置和存储装置之间交换一个容器。小室装置用于：当容器被从外部放入或被放到外部时，使容器与交换装置隔离，当在小室装置和所述交换装置之间交换容器时，使容器与外部隔离。
本发明的用于超低温冷藏箱的自动存储和取出装置及其相关方法的一个优点是本装置能以单独方式操作或者能集成到一个完全自动实验室中。它是一个可大可小的，以满足小实验室的需要以及要求长期存储大量样本的大型研究单位的需要。
本发明的另一个优点是该装置能被设计成用于现有超冷冷藏箱的抽屉式单元，它将保持门中的大部分硬件，从而与冷藏箱仓室隔离，使低温硬件部件的数量以及对冷藏箱本身的实际改变都减至最小。减少了数量的运动部件持续暴露于约-80℃的设计温度，降低了生产成本。
本发明的又一些优点归因于改善了的样本质量，降低了的操作费用，以及减少了的对自动存储和取出装置的维护。
最后，本发明的一个优点是它以被证明为可靠的方式提供超低温或更低温度的自动化和用户友好的信息技术。
这里公开的发明的这些和其他目的以及优点和特点将由下文的描述、附图和权利要求变得更加清楚。
附图说明
当结合附图阅读下文中对优选实施例的描述之后，将全更充分地理解本发明的上述以及其他目的、特点和优点，这些附图中：
图1显示自动存储和取出装置的示意平面图。
图2A显示自动存储和取出装置的示意透视图。
图2B显示一个仓室和/或机柜的门或壁的部分透视图。
图3显示气候受控小室的示意截面图，其外部门处于打开和关闭两个位置。
图4A和4B分别显示气候受控小室的相关转换机构的示意前视图和平面图。
图5A-5D是交换机构的转动排位的选定位置的示意展示。
图6A和6B包含的流程图说明在自动存储和取出装置中放置和存储一个存储容器等的操作。
图7A和7B包含的流程图说明在自动存储和取出装置中取出所存储的或所想要的存储容器等的操作。
图8显示该自动存储和取出装置的存储圆盘传送带的示意透视图。
图9显示用图8的圆盘传送带的单个垂直导轨的透视图，它由多个存储托盘构成。
图10A和10B是存储托盘以及它们与圆盘传送带垂直支架的相关合作的示意透视图。
图11A和11B是交换机构及相关部件的示意透视图。
图12是自动存储和取出装置的控制系统总体特征的示意方框图。
图13是该自动存储和取出装置的一个实施例有关的示例计算机系统的示意方框图。
图14A和14B显示自动存储和取出装置的另一实施例的示意透视图。
图15A-15D显示自动存储和取出装置的另一实施例，它提供合作冷藏箱装置扩展的网络系统。
图16A和16B显示气候控制小室机箱的示意前部/外部透视图，分别显示相关部件处于关闭和打开位置。
图17A和17B显示气候控制小室机箱的示意背部/内部透视图，分别显示相关部件处于关闭和打开位置。
发明详述
现在转向附图，本发明示意性显示于图1的平面图和图2A的透视图中，它包括一个自动存储和取出装置1，该自动存储和取出装置1包含有一个或多个存储圆盘传送带20设置在冷藏箱仓室10中，其带有一个或多个可选的静止导轨26、27，一个交换机构40以及一个气候受控小室60，其通常设置在冷藏箱仓室10或相关联的机柜2的侧壁11上。中央控制系统80与存储圆盘传送带20、交换机构40以及气候受控小室60相耦合，以控制它们的操作。一般而言，控制系统80控制该装置的操作，从而使那些容器能被从外部加载到气候受控小室60供交换机构40取出，以插入到冷藏箱仓室10的圆盘传送带20上。其后，被存储的容器能由交换机构从圆盘传送带20上取出并能通过气候受控小室60被取出到外部。
图2B显示机柜的仓室和/或门的侧壁11的部分透视图。装在侧壁11上的是气候受控小室60和触摸屏界面82。如下文要讨论的那样，可以预期通过使用触摸屏界面82能直接访问一个控制系统和计算机系统和/或由单独的个人计算机或以局域网(LAN)能远程访问该控制系统和计算机系统。
接下来，将提供气候受控小室60的详情，如图3和4A-4B很好地显示的那样。一个特别希望的特性是在存储容器插入和取出过程中气候受控小室60防止环境的湿气进入冷藏箱仓室的内部。小室60有一个内部门61以允许冷藏箱仓室10和小室60之间的交流，以及一个外部门62以允许外部环境(或相邻区域)和小室60之间的交流。小室60有一个气候控制系统66，它提供在内部门61被打开之前对小室60中的空气进行冷却和去湿的空气净化能力。一个扫描读出器装置65，优选的是条形码读出器，位于小室60内，以在存储容器被插入小室60或从中取出时识别这些存储容器。关于存储容器的信息从读出器装置65传送到中央处理器和/或远程处理器。
仍然参考图3和4A-4B，存储容器3由传输托盘63携带，它被可滑动地安装在两个通道67、68上。在外部门62打开时，传输托盘63能把容器3送到外部，如短划线所示。另一种情况是，当内部门61打开时，传输托盘63能把容器3传送到冷藏箱仓室10的内部，如点线所示。在一个实施例中，内部门61可以在导轨(未画出)上滑动打开和关闭。气候控制系统66与小室60交流，当容器被隔离时，即外部门和内部门都打开的时候，它对小室60去湿和冷却。气候控制系统66包括干燥气体或干燥空气净化(即氮、二氧化碳等)，它把周围的湿度迅速降低到所希望的水平，例如小于约25％相对湿度(RH)和低到约1％RH。事实上，任何已被去湿的压缩气体都将降低密封室内的湿度并将通过绝热膨胀使密封室内冷却到约-10℃至约0℃或所希望的温度。
本发明优选实施例的自动存储和取出装置及其相关的方法在大约-50℃至大约-90°的超低温操作。应该理解，该装置可以在-50℃至环境温度乃至更高温度范围内操作。本发明的冷藏箱仓室的正常设计操作温度是-80℃。应该指出，本发明预期在比超低温还低的约-140℃至约-90℃范围内操作。如果由于某种原因(如维护或按计划时间表停止操作)使冷藏箱失灵，那么能方便地把液体二氧化碳泵入系统并使它保持在-78℃左右。这样，通过安装液体二氧化碳瓶，能支撑装置的超低温冷藏箱设置温度点。
本领域技术人员将会理解，可以使用各种类型内部和外部小室门及代替物。再有，能利用单个门，它在内部一侧和外部一侧之间转动。
现在将提供关于气候受控小室60的更多细节，如图16A-16B和图17A-17B的透视图中很好地显示的那样。气候受控小室60的前部/外部图和后部/内部图分别示于图16A-16B和图17A-17B。参考图16A的前部/外部图，小室60包括一个小室机柜91，图中它的外部门62处在关闭位置，有深凹微型盘92放置在传输托盘63上。应该理解，可以使用浅凹微型盘以及适于存储和交换的任何其他尺寸、类型或数量的容器。图中还显示了托盘马达和齿轮箱机柜93、读取装置65和空气净化端口94。图16B显示其外部门62处于打开位置的小室60。
参考图17A-17B的后部/内部图，所显示的小室60包括内部门马达齿轮和马达机柜95以及引导螺丝96，图中它的内部门61处于关闭位置。图17B显示的小室60其内部门61处于打开位置，具有深凹微型盘92放在传输托盘63上。
参考图5A-5D，图中示意性显示冷藏箱仓室10、圆盘传送带20、静止导轨26、27、交换机构40以及气候受控小室60之间的合作。交换机构40被配置成在它和圆盘传送带20(见图5B)、静止存储导轨26、27(分别见图5C-5D)以及气候受控小室60(见图5A)之间交换容器。除了所公开的圆盘传送带或静止导轨外，还考虑了各种其他存储装置，这些存储装置包括下列但不限于下列自动叠加器与可能的附加硬件以及存储巢矩形阵列(或任何预定形状的圆盘传送带/导轨，包括直线形、椭圆形、五边形、六边形等)。交换机构40需要一个拾取机构41用于水平移动交换托盘44以与圆盘传送带20或气候受控小室60交换容器3。各种拾取机构包括但不限于引导螺旋、拾取装置、真空装置、侧夹机械手、垂直钳以及输送器。交换机构40进一步包含一个垂直传送器42，它被配置成允许交换机构40在多个不连续高度上被垂直传送。各种垂直传送器包括但不限于引导螺旋、链条驱动器以及输送器。再有，交换机构40包含一个转动传送器43，它被配置成使交换机构40转动到多个不连续的圆周位置。各种转动机构包括但不限于引导螺旋、枢轴装置、齿轮驱动器、带或链驱动器、气动或液动装置以及输送器。
关于控制操作，这里描述的本发明的自动化和自动运动，部分地由控制系统80和处理器81提供。应该指出，下述示例操作顺序可以被改变，部分去掉，重叠以减少操作总延续时间，或重新排序成另一个顺序。
在图6A-6B的流程图中提供了放置存储容器的操作(步骤600)。在第一步骤601中，外部门62打开，传送托盘63退出，存储容器3放在小室60中。在步骤602中，外部门62关闭，传送托盘63返回小室60，并由读出装置65扫描存储容器的条形码，并赋予一个存储位置。在步骤603，外部门62和内部门61处于关闭位置，同时空气净化系统66冷却和除湿小室60中的空气。在步骤604中，内部门61打开，传送托盘63向内传送容器3，拾取机构43被向前推入小室60以拾取存储容器，然后退回以把容器3放在交换托盘44上，于是内部门关闭。在步骤605中，存储圆盘传送带20被转动，以使正确的垂直导轨23与交换机构40的未来位置转动对位。在步骤606，交换机构40被垂直传送器42垂直提升，以与目标存储托盘28的正确高度垂直对位。在步骤607，转动传送器43转动交换机构40，以与正确的垂直导轨23转动对位(align)。在步骤608，拾取机构43被基本上水平推进，以把存储容器3放在存储托盘28上。在步骤609，拾取机构43垂直降低一个所希望的标称距离，例如约1/8英寸，并基本上水平地退回，以解除与存储容器3的啮合。在步骤610，处理器把有关的存储容器信息记录在数据库中。在步骤611，假定在存储圆盘传送带20(或在任何静止存储导轨26、27)处不需要任何其他动作，则交换机构40被转动以与小室60的内部门61转动对位，而且交换机构40被垂直提升以与内部门61垂直对位，从而达到稳定状态。应该指出，类似的过程和方面适用于静止导轨26、27，只是导轨不转动。
接下来，在图7A-7B的流程图中提供了从存储托盘28中取出所希望的或作为目标的容器3的操作(步骤700)。在步骤701中，所希望的或作为目标的容器的存储容器标识符(ID)被电子地或通过数据输入装置送入，如和装置机柜集成到一起的显示面板或者遥控器，二者都在操作上与控制系统80相连。在步骤702，中央处理器81在数据库中找到相关存储容器信息的位置并确定存储容器在存储圆盘传送带20(或静止存储导轨)中的位置。可选地，步骤703，如果需要安全性，则通过数据输入装置如与装置机柜集成在一起的显示面板或远程处理器输入存取代码并由中央处理器81确认该存取代码以允许存取所希望的存储容器3。在步骤704中，存储圆盘传送带20被转动，以使含有所希望的存储容器3的正确的垂直导轨23与交换机构40的将来位置转动地对位。在步骤705中，交换机构40被垂直传送器42垂直提升，以与所希望的存储托盘28的正确高度垂直对位。在步骤706中，转动传送器43转动交换机构40以与正确的垂直导轨23转动地对位。在步骤707中，拾取机构43被基本上水平推进，以从存储托盘28中取出存储容器3。在步骤708，拾取机构43被垂直提升一个所希望的标称距离，例如约1/8英寸，并水平退回以啮合和抽出存储容器3。在步骤709，交换机构40被转动以与小室60的内部门61转动地对位。在步骤710中，外部门62和内部门61处于关闭位置，同时空气净化系统66冷却和除湿小室60中的空气。在步骤711中，内部门61打开，传输托盘63伸出，此时拾取装置43前进到小室60，在小室60中与存储容器解除啮合。在步骤712中，拾取机构退回到冷藏箱仓室中，内部门关闭，读出器装置65读取存储容器的条形码ID，以确认它与本发明取出过程的步骤701中曾送入的ID匹配。在步骤713中，外部门62打开，允许存取存储容器3。应该指出，类似的过程和方面适用于静止导轨26、27，只是导轨不转动。
接下来，如图8-9的示意图所示，将讨论关于存储圆盘传送带20的详细情况。如图8中所示的透视图包括一个圆盘传送带20，为图形显示的目的略去了一些导轨23。圆盘传送带20包含一个环状的圆环，有垂直导轨23环形安排在上水平盘29(以虚线表示)和下水平盘30之间。圆盘传送带可以有各种尺寸、维数和形状，包括线形、矩形、五边形、六边形等。基座盘31作为支持存储圆盘传送带20的轴承支柱，同时允许圆盘传送带20围线垂直轴转动。圆盘传送带20的转动由马达驱动轴32驱动，马达驱动轴32穿过下水平盘30和基座盘31，与马达(未画出)相连。马达最好放在冷藏箱仓室10的底板之下，在那里装有冷冻设备，马达放在那里不会被暴露于冷藏箱仓室10的超冷温度。存储圆盘传送带20可以放在滚珠轴承系统上以减小超冷温度的摩擦。还可以使用自润滑的轴承系统(如石墨陶瓷)以及本领域技术人员公知的其他类型。垂直导轨23以直角支撑或其他方式安装在上水平盘29和下水平盘30之间。垂直导轨23包含垂直支架33和多个可调节的存储托盘28以支撑多个存储容器3，这些存储容器的形状可以有标准尺寸或变化的尺寸。
图9是一个单个垂直导轨23的透视图，包含多个存储托盘28。
接下来，如图10A-10B很好地显示的那样，将讨论关于存储托盘28及其与圆盘传送带20的垂直支架33合作的详细情况。存储托盘28有一个平的水平取向的有中央开口35的支持表面34，以允许交换机构40啮合存储容器3以便将其放在存储托盘28上或从存储托盘28上取出。存储托盘28有一平的垂直取向的安装表面36，成直角地位于存储托盘28的近边缘，这允许用安装组件37(部分画出)使存储托盘28与垂直支架33连接。根据各种部件和子系统交互作用的类型，可以预期有安装组件37的其他配置。存储托盘28的远边缘是开口的，面朝外，以允许存取存储容器。根据各种部件和子系统之间的交互作用的类型，可以预期有存储托盘28的其他配置。垂直取向的凸起的引导部件38位于存储托盘28的横侧边缘，以防止存储容器在存储托盘28上错位。凸起的引导部件38可以是存储托盘28表面冲压出来的，或者利用本领域技术人员公知的其他适当装置。
接下来，如图11A-11B很好地显示的那样，将讨论关于交换机构40的一个实施示例的详细情况。在这一特定的实施例中，交换机构40包含一对导轨45和46，它们位于冷藏箱仓室10内，而其轴线与冷藏箱仓室10垂直，并且根据各种交换操作的离散高度的要求延伸一个基本长度。导轨45和46可滑动地安装在交换盘47上。其轴线长度方向在冷藏箱仓室10内的垂直引导螺丝48被马达53驱动以把交换盘47垂直传送到所希望的高度，马达53位于冷藏箱仓室下方。垂直安装的方形转动轴49由装在冷藏箱仓室10下方的马达54驱动。方形轴49使用一个齿轮链驱动交换托盘44，如方形轴齿轮50和托盘齿轮51，如图所示。驱动齿轮与导轨52匹配，导轨52与交换托盘44相连。在操作过程中，方形轴49顺时针转动以驱动齿轮链和导轴52，从而驱动交换托盘44水平进入延伸的位置，如虚线所示。当处在延伸的位置时，交换托盘44能取出或放下一个容器。然后，方形轴49沿逆时针方向转动，以在相反方向驱动齿轮链和导轨52，使轨道52和交换托盘44退回原处。由安装在冷藏箱仓室10的底板下方的马达(未画出)驱动的转动传送器43转动交换机构40，使其与正确的垂直导轨23或静止的存储导轨26、26以及小室60的内部门61或所需要的任何其他位置对位。可以使用本领域技术人员公知的装置使转动传送器43在枢轴上旋转、转动或移位。
应该指出，用于存储圆盘传送带10、垂直传送器42、转动传送器43、拾取机构42以及传送托盘63的马达可以是本领域技术人员公知的各类马达，包括但不限于伺服马达和步进马达，或带有适当的位置或速度控制器的任何直流(DC)马达。在这里公开的各种优选实施例中，马达被安装在冷藏箱仓室10的外部，以延长该部件的寿命并改善装置的总体服务能力。除了传送托盘63外，都是通过一系列复杂的热密封和热耦合来安装这些驱动轴，以在整个操作周期保持温度稳定性。在一个选择的实施例中，伺服马达可以是Antimatics公司的SMART MOTOR(智能马达)。这些类型的伺服马达是微处理器控制的，保证在荷刻环境中精确放置和监视自动操作，然而，可以使用任何位置或速度可控的马达。
接下来，如图12的框图中所示，将讨论本发明的控制系统1280的总体特性。控制系统1280与计算机系统1281接口，它可以与机柜2集成或通过有线或无线通信进行远程控制，或者是二者的组合。再有，控制系统1280可以与实验室信息管理系统(LIMS)1282通信和与其集成。控制系统1280在操作上与各种马达1283、致动器1284、位置传感器1285以及识别传感器1286相连。预期在实施本发明时，从容器3中携带的样本或工件导出的信息为用户提供了一个信息技术平台。计算机系统1281要是用户友好的，利用基于Windows的平台或任何其他操作系统，而且可以是与各种实验室信息管理系统集成。可以预见，控制系统1280和计算机系统1281能直接用触摸屏接口访问或由独立的个人计算机或以局域网(LAN)远程访问。
除了其他功能之外，本发明的装置向用户提供设置顶层用户可定义参数的功能，以根据研究组、研究公司或单个实验室的要求控制容器(样本)的存取。例如，可由用户配置样本数据以满足用户的特定研究需求。然后，该数据库能查询用户的全体样本，以找出与用户所要求的研究参数匹配的全部样本。再有，时间/温度曲线和样本存取历史被连续保持。本发明允许用户设置样本迁移判据。这一特性利用样本使用频度促使把低需求的样本移动到较长期存储的单元中，从而使用户样本处理过程管理系统的效率最大化。再有，本发明的装置使用户能产生各种报告以支持用户的质量保证需求。最后，通过接受极好的样本安全性、最佳的样本可视性、最佳的质量保证、样本迁移控制以及灵活的数据管理，将使得用户从本发明的信息技术中受益。
接下来，如图13中很好地显示的那样，将讨论控制系统和计算机系统的实施示例。本发明的控制和处理可以使用硬件、软件或它们的组合来实现，并可在一个或多个计算机或其他处理系统中实现，如个人数字助理(PDA)。在一个实施例中，本发明是由通用计算1300上运行的软件实现的，如图13中所示。计算机系统1300包括一个或多个处理器，如处理器1304。处理器1304与一通信基础设施(infrastructure)1306(例如通信总线、交叉总线(cross-overbar)或网络)连接。计算机系统1300包括显示接口1302，它转发来自通信基础设施1306(或来自帧缓存器，未画出)的图形、文本和其他数据供在显示单元1330上显示。
计算机系统1300还包括主存储器1308，最好是随机存取存储器(RAM)，也可以包括次级存储器1310。次级存储器1310可以包括例如硬盘驱动器1312和/或可卸存储驱动器1314，代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可卸存储驱动器1314以公知方式读和/或写可卸存储单元1318。可卸存储单元1318代表软盘、磁带、光盘等，它们由可卸存储驱动器1314读和写。如将会理解的那样，可卸存储单元1318包括一个计算机可用存储介质，其中存储计算机软件和/或数据。
在另一些实施例中，次级存储器1310可以包括其他装置用于让计算机软件或其他指令加载到计算机系统1300。这类装置可以包括例如可卸存储单元1322和接口1320。这类可卸存储单元/接口的实例包括程序盒(program cartridge)和盒式接口(如在视频游戏装置中看到的那种)、可卸存储器芯片(如ROM、PROM、EPROM或EEPROM)以及相关联的插座，以及其他可卸存储单元1322和接口1320，它允许软件和数据从可卸存储单元1322传送到计算机系统1300。
计算机系统1300还可以包括通信接口1324。通信接口1324允许软件和数据在计算机系统1300和外部装置之间传送。通信接口1324的实例可以包括调制解调器、网络接口(如以太网卡)、通信端口以及PCMCIA插口和卡等。经由通信接口1324传送的软件和数据为信号1328的形式，它可以是电子的、电磁的、光的或其他能被通信接口1324接收的形式。信号1328经由通信路径(如信道)1326提供给通信接口1324。信道1326(或这里公开的任何其他通信装置或信道)传递信号1328，信道1326可以用有线或电缆、光缆、电话线、蜂窝电话链路、RF链路和其他通信信道来实现。
在本文件中，术语“计算机程序介质”和“计算机可用介质”用于泛指可卸存储驱动器1314、装在硬盘驱动器1312中的硬盘以及信号1328。这些计算机程序产品是向计算机系统1300提供软件的装置。本发明包括这种计算机程序产品。
计算机程序(也称作控制逻辑)被存储在主存器1308或次级存储器1310。计算机程序还可通过通信接口1324被接收。当执行这种计算机程序时，使计算机系统1300能实现如这里讨论的本发明的特性。特别是，该计算机程序在执行时使处理器1304能实现本发明的功能。因此，这种计算机程序代表了计算机系统1300的控制器。
在用软件实现本发明的一个实施例中，该软件可以存储在一个计算机程序产品中并使用可卸存储单元1314、硬盘驱动器1312或通信接口1324加载到计算机系统1300中。该控制逻辑(软件)当由处理器1304执行时使处理器1304实现如这里描述的本发明的功能。
在另一实施例中，本发明主要是在硬件中使用例硬件部件实现，如针对应用的集成电路(ASIC)。为实现这里描述的功能所用的硬件状态机的实现对于相关领域的技术人员是显然的。
在又一个实施例中，本发明使用硬件和软件的组合来实现。
在本发明的一个软件实施示例中，上文描述的方法用VISUALBASIC控制语言实现，但也能用其他语言实现，例如(但不限于)C++编程语言。
接下来，如图14A-14B中很好地显示的那样，将讨论本发明的另一个第二实施例的详细情况。存储圆盘传送带被固定在其位置上(即不转动)，提供了一个固定的存放处1420。存储容器1403以与在存储圆盘传送带中相同的方式被收容在架子1428上。然而，交换机构1440位于固定存放处1420的中央核心1439中。交换机构1440包括交换托盘1444，并可以围绕它的轴线转动和垂直运动，如这里先前讨论的那样。交换机构1440从架子上取出存储容器，把它们拿到与存取端口1437对准的垂直位置，并通过端口1437经由气候受控小室1460把它们移动到冷藏箱外部。应该注意，存储端口1437是在固定存放处1420中的固定孔，允许样本达到交换机构1440。如果希望把若干个固定存放处1420或转动的圆盘传送带匹配在一起，或者希望提供不只一个存取端口1437，则可以使用一个或多个存取端口。再有，如果希望向存放处1420的“一个薄片”提供转动运动，则存取端口可以是可运动的。
这第二实施例方法的好处在于(但不限于)它可以被容纳在圆柱形冷藏箱仓室内，占有较小的空间。此外，这一装置和方法免除了对圆盘传送带转动机构的需求(除非希望有一个可移动的存取端口)。该设计的所有其他方面都与前文描述的相同。
此外，作为第三个不同的实施例，还可以在图14A-14B描述的一个圆盘传送带外部有第二个圆盘传送带，从而允许有更大的存储空间。在这一实施例中，从而允许存取端口垂直排列和转动对位，以达到外部圆盘传送带中的任何仓室。
接下来，如图15A-D中很好地显示的那样，将讨论提供合作冷藏箱仓室扩展网络系统1501的详细情况。多个存储圆盘传送带1520(或静止存储导轨1526、1527以及固定存放处)、交换机构1540以及气候控制小室1560按这里描述的方法和方面进行操作。多个存储圆盘传送带1520(静止导轨或固定存放处)在一个外罩1502内操作。外罩1502可以是如前文讨论的设备机柜型的，以容纳一个冷藏箱单元或多个冷藏箱单元。另一种作法是，外罩1502可以是整个一个房间或多个房间，如在5,921,102 Vago专利中公开的那样。图15A-D中所示结构配置在性质上是一种演示，并不想穷尽于此，因为也考虑了其他组合和设计。实质上，容器1503可以在存储圆盘传送带1520(包括静止存储导轨1526、1527)、交换机构1540以及气候受控小室1560当中使用这里先前公开的方面和方法进行交换、存储、放置和取出，同时又承认外罩1502可以是一个房间或设备机柜，或者它们的任意组合。控制系统1580在操作上与各种部件及子系统相连，这里控制和处理器可以位于本地或位于远处。
交换机构1540与多个位置合作，允许容器1503在多个圆盘传送带1520和静止导轨1526、1527，当然还有气候受控小室1560当中穿过。如图15C-D中所示，为实现这一任务，提供了一个传送机构1590以把交换机构1540传送或移动到目标圆盘传送带1520或静止导轨1526、1527。预期有各种装置用于传送交换机构1540，包括但不限于轨道装置、轮、输送器、滑轮、悬挂装置、带、齿轮或其他自动装置。
本发明的用于超低温冷藏箱的自动存储和取出装置及其相关方法的一些优点在于它提供了更有组织的存储和取出装置，在冷存储仓室内较少地积累湿气和霜，由于取出样本造成的温度起伏较小，而且能快速随机存取所有标本。
再有，本发明的另一优点是该装置能以单独方式操作或能集成于完全自动的实验室中。它是可大可小的，以满足小实验室的需要以及要求长期存储大量样本的大型研究单位的需要。
本发明的另一个优点是该装置能被设计成用于现有超冷冷藏箱的抽屉式单元，它将保持门中的大部分硬件，从而与冷藏箱仓室隔离，使低温硬件部件的数量以及对冷藏箱本身的实际改变都减至最少。减少了数量的运动部件持续暴露于约-80℃的设计温度，降低了生产成本。
本发明的又一些优点归因于改善了的样本质量，降低了的操作费用，以及减少了的对自动存储和取出装置的维护。
再有，本发明的一个优点是在存储容器插入和取出过程中气候受控小室防止周围的湿空气进入冷藏箱仓室的内部。
最后，本发明的一个优点是它以被证明为可靠的方式提供超低温自动化和用户友好的信息技术。预期本发明可以提供低于和高于超低温操作温度的操作温度。
本发明可以以其他具体形式实现而不离开本发明的精神和基本特征。所以，前述各实施例在所有方面均应被认为是说明性的而不是限制这里描述的发明。本发明的范围由所附权利要求指明，而不是由前面的描述指明，所以在权利要求的等同的含意和范围内的全部变化都要被包含在这里。

Claims (37)

1.一种用于在超低温存储容器的自动存储和取出装置，所述装置包含：
冷藏箱仓室，所述冷藏箱仓室有一个侧壁；
设置在所述冷藏箱仓室内用于存放容器的存储圆盘传送带；
设置在所述侧壁上的气候受控小室；
控制所述小室气候的气候系统；
交换机构，其被配置成：
当在小室交换位置时，在所述交换机构和所述气候受控小
室之间交换一个容器，以及
当在圆盘传送带交换位置时，在所述交换机构和所述圆盘
传送带之间交换一个容器；以及
所述小室被配置成：
当容器被从外部放入或被放到外部时，使该容器与所述交
换机构隔离，以及
当在所述小室和所述交换机构之间交换容器时，使该容器
与外部隔离。
2.权利要求1的装置，其中所述小室进一步包含：
外部门，其中所述外部门适于允许在所述小室和外部之间交换容器，以及
内部门，其中所述内部门适于允许在所述小室和所述交换机构之间交换容器。
3.权利要求1的装置，其中所述小室进一步包含：
可滑动地安装在所述小室上的传送托盘，用于在最靠近外部的外侧位置和最靠近所述交换机构的内部位置之间传送容器。
4.权利要求3的装置，其中所述受控小室进一步包含：
可操作地连接于所述传送托盘的马达，用于在外部位置和内部位置之间，一般地说是在它们之间的任意位置传送所述托盘；以及
所述马达被设置在所述冷藏箱仓室的外面。
5.权利要求1的装置，其中所述气候系统包含干燥气体供给器用于对所述小室去湿和冷却所述小室。
6.权利要求1的装置，其中所述小室包含一个写装置。
7.权利要求1的装置，其中所述小室包含一个读装置，用于当容器被插入所述小室或从所述小室取出时识别容器。
8.权利要求1的装置，进一步包含一个控制系统，其中所述控制系统在操作上与所述圆盘传送带、所述交换机构以及小室连接，以控制它们的操作。
9.权利要求8的装置，其中所述控制系统包含一个处理器，用于处理关于存入该装置和从该装置取出的容器的数据。
10.权利要求8的装置，其中所述控制系统包含一个处理器，用于处理关于存入该装置和从该装置取出的容器中的内容的数据。
11.权利要求8的装置，进一步包含一个与该装置操作上相连的用户站，所述用户站包含一个数据输入装置用于向所述处理器输入关于容器的数据。
12.权利要求1的装置，其中所述交换机构包含：
传送所述交换托盘的拾取机构，用于与所述圆盘传送带或所述小室交换容器。
13.权利要求12的装置，其中所述交换机构进一步包含：
配置成用于保持容器的交换托盘。
14.权利要求12的装置，其中所述交换机构进一步包含：
垂直传送器，被配置成允许在多个离散高度上垂直传送所述交换机构。
15.权利要求14的装置，其中所述交换机构进一步包含：
转动传送器，所述转动传送器被配置把所述交换机构转动到多个离散的周边位置。
16.权利要求15的装置，其中所述周边位置包括与一个位置的转动对位，在该位置交换机构能：
当在小室交换位置时与所述气候受控小室交换选定的容器；以及
当在圆盘传送带交换位置时与所述圆盘传送带交换选定的容器。
17.权利要求15的装置，进一步包含：
可操作地连接于所述转动传送器的马达，用于把所述交换机构转动到多个离散的周边取向；以及
所述马达被放置在所述冷藏箱仓室的外面。
18.权利要求14的装置，其中所述离散的高度所包括的高度对应于这样一个高度，在这一高度该交换机构能：
当在小室交换位置时与所述气候受控小室交换选定的容器；以及
当在圆盘传送带交换位置时与所述圆盘传送带交换选定的容器。
19.权利要求14的装置，进一步包含：
可操作地连接于所述垂直传送器的马达，用于把所述交换机构传送到离散的高度；以及
所述马达被放置在所述冷藏仓室的外面。
20.权利要求12的装置，进一步包含：
可操作地连接于所述拾取机构的马达，用于在交换容器时所用的一个延伸位置和当容器保持在非延伸位置时的一个后退位置之间基本上水平地传送所述拾取机构；以及
所述马达被放置在冷藏箱仓室的外面。
21.权利要求1的装置，其中所述圆盘传送带进一步包含由沿圆周安排的垂直导轨组成的圆环。
22.权利要求21的装置，其中所述圆盘传送带进一步包含存储托盘以保持多个存储容器。
23.权利要求22的装置，其中所述存储托盘是被可调节地安装的。
24.权利要求21的装置，其中所述圆盘传送带包含一个上部的水平的顶盘和一个下部的水平的支持盘。
25.权利要求21的装置，其中所述圆盘传送带是可转动的，从而使所述垂直导轨与所述交换机构对位。
26.权利要求21的装置，进一步包含：
可操作地连接于所述圆盘传送带的马达，用于转动所述圆盘传送带；以及所述马达被放置在所述冷藏箱仓室的外面。
27.一种用于在超低温存储容器的自动存储和取出装置，所述装置包含：
冷藏箱装置，用于冷藏容器；
设置在所述冷藏箱装置内用于存放容器的存储装置；
小室装置，用于在外部和所述冷藏箱装置之间交换容器；
气候系统控制装置，用于控制所述小室装置的气候；
交换装置，用于：
当在小室交换位置时，在所述交换装置和所述小室装置之间交换一个容器，以及
当在存储交换位置时，在所述交换装置和所述存储装置之间交换一个容器；以及
所述小室装置用于：
当容器被从外部放入或被放到外部时，使容器与所述交换装置隔离，以及
当在所述小室装置和所述交换装置之间交换容器时，使容器与外部隔离。
28.一种用于在超低温存储容器的自动存储和取出装置，所述装置包含：
冷藏箱仓室，所述冷藏箱仓室有一个侧壁；
设置在所述冷藏箱仓室内用于存放容器的存储装置；
设置在所述侧壁上的气候受控小室；
控制所述小室气候的气候系统；
交换机构，被配置成：
当在小室交换位置时在所述交换机构和所述气候受控小室之间交换一个容器，以及
当在装置交换位置时在所述交换机构和所述存储装置之间交换一个容器；以及
所述小室被配置成：
当容器被从外部放入或被放到外部时，使该容器与所述交换机构隔离，以及
当在所述小室和所述交换机构之间交换容器时，使该容器与外部隔离。
29.权利要求28的装置，其中所述存储装置是可运动的，从而使所述存储装置与所述交换机构对位。
30.权利要求28的装置，其中所述存储装置是静止的。
31.一种在超低温在冷藏箱仓室内自动放置和存储容器的方法，所述方法包含：
在所述冷藏箱仓室中提供一个圆盘传送带；
把一个容器放入一个气候受控小室；
当容器保留在所述小室中时，隔离所述小室并控制所述小室气候达到预定时间；
当所述小室与外部隔离时，把容器从所述小室取到所述冷藏箱仓室；以及
把容器存储在所述圆盘传送带中。
32.一种在超低温在冷藏箱仓室内自动存储和取出容器的方法，所述方法包含：
在所述冷藏箱仓室中提供一个圆盘传送带；
提供一个气候受控小室；
当所述小室与外部隔离时，把存储的容器从所述冷藏箱取入所述气候受控小室；
当容器保留在所述小室中时，隔离所述小室并控制所述小室气候达到预定时间；
当所述小室与所述冷藏箱仓室隔离时，呈现该容器供拾取。
33.权利要求32的方法，其中所述呈现该容器包含把该容器推出到外部供拾取。
34.一种在超低温在自动装置的冷藏箱仓室中自动放置和存储容器的方法，所述装置包含：
冷藏箱仓室，所述冷藏箱仓室有一个侧壁；
设置在所述冷藏箱仓室内用于存放容器的存储圆盘传送带；
设置在所述侧壁上的气候受控小室；
控制所述小室气候的气候控制系统；
交换机构，被配置成：
当在小室交换位置时，在所述交换机构和所述气候受控小室之间交换一个容器，以及
当在圆盘传送带交换位置时，在所述交换机构和所述圆盘传送带之间交换一个容器；以及
所述小室被配置成：
当容器被从外部放入或被放入外部时，使该容器与所述交换机构隔离，以及
当在所述小室和所述交换机构之间交换容器时，使该容器与外部隔离。
35.一种在超低温在自动装置的冷藏箱仓室中自动存储和取出容器的方法，所述装置包含：
冷藏箱仓室，所述冷藏箱仓室有一个侧壁；
设置在所述冷藏箱仓室内用于存放容器的存储圆盘传送带；
设置在所述侧壁上的气候受控小室；
控制所述小室气候的气候控制系统；
交换机构，被配置成：
当在小室交换位置时，在所述交换机构和所述气候受控小室之间交换一个容器，以及
当在圆盘传送带交换位置时在所述交换机构和所述圆盘传送带之间交换一个容器；以及
所述小室被配置成：
当容器被从外部放入或被放入外部时，使该容器与所述交换机构隔离，以及
当在所述小室和所述交换机构之间交换容器时，使该容器与外部隔离。
36.一种在超低温在自动装置的冷藏箱仓室中自动放置和存储容器的方法，所述装置包含：
冷藏箱装置，用于冷藏容器；
设置在所述冷藏箱装置内用于存放容器的存储装置；
小室装置，用于在外部和所述冷藏箱装置之间交换容器；
气候系统控制装置，用于控制所述小室装置的气候；
交换装置，用于：
当在小室交换位置时，在所述交换装置和所述小室装置之间交换一个容器，以及
当在存储交换位置时，在所述交换装置和所述存储装置之间交换一个容器；以及
所述小室装置用于：
当容器被从外部放入或被放到外部时，使容器与所述交换装置隔离，以及
当在所述小室装置和所述交换装置之间交换容器时，使容器与外部隔离。
37.一种在超低温在自动装置的冷藏箱仓室中自动存储和取出容器的方法，所述装置包含：
冷藏箱装置，用于冷藏容器；
设置在所述冷藏箱装置内用于存放所述容器的存储装置；
小室装置，用于在外部和所述冷藏箱装置之间交换容器；
气候系统控制装置，用于控制所述小室装置的气候；交换装置，用于：
当在小室交换位置时，在所述交换装置和所述小室装置之间交换一个容器，以及
当在存储交换位置时，在所述交换装置和所述存储装置之间交换一个容器；以及
所述小室装置用于：
当容器被从外部放入或被放到外部时，使容器与所述交换装置隔离，以及
当在所述小室装置和所述交换装置之间交换容器时，使容器与外部隔离。
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