DE60125380T2

DE60125380T2 - Automatisiertes lagerungs- und entnahmegerät für gefrierfächer und entsprechendes verfahren

Info

Publication number: DE60125380T2
Application number: DE60125380T
Authority: DE
Inventors: A. Robin Charlottesville FELDER; Sean B. Charlottesville GRAVES; P. James Charlottesville GUNDERSON
Original assignee: University of Virginia UVA; University of Virginia Patent Foundation
Current assignee: University of Virginia UVA; University of Virginia Patent Foundation
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: JP2004507703A; EP1313990B1; US20020023444A1; US20030196444A1; CA2420216A1; CN1505747A; EP1313990A1; US6688123B2; US6581395B2; KR20030027965A; US6467285B2; WO2002016844A1; DE60125380D1; US20040154322A1; US6941762B2; US20030037556A1; ATE348990T1; AU2001285215A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine automatische Lagerungs- und Entnahmevorrichtung für Ultratieftemperaturgefriereinrichtungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und insbesondere eine Vorrichtung, welche die Gesamtqualität des Klimas in Verbindung mit dem Lagern von Gegenständen darin verbessert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 29. Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind in der US 5,233,844 offenbart.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Fortschritte auf dem Gebiet der Biotechnologie und der medizinischen Wissenschaft erfordern die Analyse einer stetig zunehmenden Zahl verschiedener biologischer Proben. Viele biologische Proben müssen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gelagert werden, um sie zur späteren Ansicht, Analyse oder Verwendung aufzubewahren. Zum Beispiel müssen DNS, RNS, Zellen und Proteinproben sowie die Reagenzien, die für die Durchführung verschiedener Analysen dieser Proben benötigt werden, bei ultrakalten Temperaturen gelagert werden, um eine Degradation zu verhindern, die verläßliche Analysen der biologischen Produkte beeinträchtigen würde.
Für die erfolgreiche Bewahrung von Biomolekülen, Zellen und Gewebe (Morphologie und Lebensfähigkeit) über längere Zeiträume hinweg ist im Allgemeinen eine Lagerung bei unter –80°C erforderlich. Die Lagerdauer und die Fähigkeit, lebende Zellen zurückzugewinnen, werden bei ungefähr –196°C ganz erheblich verbessert (–196°C ist der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff). Das National Institute of Standards and Technology hat vorgeschlagen, daß der Begriff "Kryogenik" für alle Temperaturen unter –150°C (–238°F oder 123° über dem absoluten Nullpunkt auf der Kelvinskala) verwendet wird. Einige Wissenschaftler betrachten den normalen Siedepunkt von Sauerstoff (–183°C oder –297°F) als die obere Grenze. Der Begriff "ultratiefe Temperatur" ist wahrscheinlich durch kein Normungsgremium offiziell anerkannt. Es gibt jedoch eine allgemeine Übereinstimmung, daß sich der Begriff "Gefriereinrichtung" auf eine Lagereinrichtung bezieht, die im Bereich von etwa –5°C bis –20°C arbeitet, daß eine "Ultratieftemperatureinrichtung" im Bereich von etwa –50°C bis etwa –90°C arbeitet und daß eine "kryogenische Gefriereinrichtung" im Bereich von etwa –140°C bis –196°C arbeitet.
Mit ein Einlagern und Entnehmen von Proben in gewöhnliche Laborkühlfächer bzw. aus gewöhnlichen Laborkühlfächern sind viele Probleme verbunden. Zum Beispiel müssen in einem gewöhnlichen Kühlfach Behälter mit Proben voreinander und übereinander gelagert werden, um den verfügbaren Raum maximal auszunutzen. Selbst wenn die Behälter Standardgrößen haben und sich darum leicht stapeln lassen, und selbst wenn ein Positionsverzeichnis der Proben geführt wird, ist es immer noch notwendig, die Behälter von Hand umzustapeln, um an einen gewünschten Behälter zu gelangen. Dies ist problematisch, weil es erforderlich ist, die Tür der Gefriereinrichtung möglicherweise für längere Zeit offen zu lassen. Durch das Offenhalten der Tür der Gefriereinrichtung steigt die Innentemperatur des Kühlfachs vorübergehend an, was zum Auftauen von Proben führen kann, die sich in der Nähe der Tür der Gefriereinrichtung befinden. Nachdem die Gefriereinrichtung geschlossen ist und die Temperatur abnimmt, frieren die Proben wieder ein. Dieses wiederholte Einfrieren und Auftauen kann zu einer schnelleren Degradation von Proben führen. Durch das Offenhalten der Tür der Gefriereinrichtung kann auch das Kühlfach vereisen. Bei wiederholtem Öffnen der Tür kann das Eis schließlich die Behälter am Boden des Kühlfachs oder aneinander festfrieren. Infolge dessen muß die Tür länger offen gehalten werden, um die Behälter vom Eis loszubrechen, wodurch das Problem nur noch verstärkt wird.
Die zunehmende Nachfrage nach hochwertigen Aufbewahrungsorten für Biomaterial in Krankenhäusern, Forschungsinstituten und pharmazeutisch-klinischen Forschungslabors bildet einen Markt für automatische Ultrakaltlagereinrichtungen, welche die Probenqualität verbessern, die Lagerung organisieren, einen raschen Zugriff auf alle Proben gestatten und elektronische Aufzeichnungen zu allen Proben führen, die in dem Behälter aufbewahrt werden.
In der US 5,921,102 von Vago wird eine Lagervorrichtung speziell mit automatischer Einlagerung und Entnahme verwendet. Zu den Nachteilen des Lösungsansatzes von Vago – aber keinesfalls nur dort – gehört, daß er keine Klimaregelung im Zusammenhang mit der Gefriereinrichtung und den verschiedenen Austauschvorrichtungen bietet und daß weitere Merkmale und Aspekte fehlen.
US 5,233,844 offenbart eine Lagereinheit mit einem Gehäuse, das eine Lagerkammer definiert, und mehreren Probenträgern in Form ringförmiger Halterungen, die untereinander im Inneren der Kammer angeordnet sind. Die Vorrichtung umfaßt einen Einlagerungs- und Entnahmemechanismus, der eine Hebevorrichtung enthält, die wenigstens teilweise im Inneren der Lagerkammer angeordnet ist, zum vertikalen Bewegen von Proben zwischen der Zugangsöffnung und den jeweiligen Trägern. Der Hebemechanismus hebt ganze Schalen aus den jeweiligen Trägern in Richtung der Zugangsöffnung.
Es besteht darum auf diesem technischen Gebiet Bedarf an einer automatische Kältelagervorrichtung und einem zugehörigen Verfahren, die unter anderem eine besser organisierte Lagerungs- und Entnahmevorrichtung, weniger Ansammlung von Feuchtigkeit und Eis in dem Kältelagerfach, geringere Temperaturschwankungen infolge einer Probenentnahme und einen schnelleren Direktzugriff auf alle Proben ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine automatische Lagerungs- und Entnahmevorrichtung zum Lagern von Behältern bei ultratiefen Temperaturen nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum automatischen Einlagern und Entnehmen von Behältern in einem Kühlfach bei ultratiefen Temperaturen nach Anspruch 1 gelöst, und Anspruch 30 betrifft ein Verfahren zum automatischen Deponieren und Lagern oder Lagern und Entnehmen mittels einer solchen Vorrichtung.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die automatische Kältelagervorrichtung und das zugehörige Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stellen ein Probenprozeßverwaltungssystem bereit, das ein revolutionäres Konzept für die Einlagerung und Entnahme kritischer Proben darstellt. Das System – ein signifikanter technologischer Durchbruch auf dem Gebiet der Laborautomatisierung – ist das erste validierungsfähige Ultratieftemperaturrobotersystem. Proben in Behältern werden robotisch durch eine Luftschleusen-Klimaregelkammer (Zugangsmittel) eingelagert und entnommen, die automatisch durch einen Trockengasspülvorgang, wie zum Beispiel mit Kohlendioxid oder Stickstoff oder dergleichen, entfeuchtet wird. Dieser Spülvorgang verringert rasch die Umgebungsfeuchtigkeit auf eine wünschenswerte relative Luftfeuchte (RL), zum Beispiel weniger als etwa 15 % RL, wodurch es praktisch zu keinem Vereisen mehr kommen kann. Mikroplatten oder Lagerbehälter oder dergleichen werden zum Beispiel mittels Strichcodetechnologie systematisch identifiziert. Nachdem sie die klimageregelte Kammer passiert haben, werden die Behälter (d. h. die Proben) robotisch zu dem Rotationsmechanismus transferiert. Dieser Mechanismus transportiert die Behälter zu einem verbundenen Nestlagerort an dem Lagermittel wie zum Beispiel einem Karussell oder einer der stationären Adressen. Lediglich zu Veranschaulichungszwecken können das Karussell und die stationären Nester eine kombinierte Kapazität von 1.000 Standardmikroplatten haben. Es wird in Betracht gezogen, daß verschiedene Kapazitäten gebaut werden können.
Die bevorzugten Ausführungsformen der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung und des zugehörigen Verfahrens der vorliegenden Erfindung arbeiten bei einer ultratiefen Temperatur von etwa –50°C bis etwa –90°C. Es versteht sich, daß die Vorrichtung auch im Bereich von –50°C bis zur Umgebungstemperatur oder höher arbeiten kann. Die normale Sollbetriebstemperatur des Kühlfachs der vorliegenden Erfindung beträgt etwa –80°C. Es ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung auch dafür vorgesehen ist, bei Bedingungen zu arbeiten, die kälter als ultratiefe Temperaturen sind, und zwar im Bereich von etwa –140°C bis etwa –90°C. Wenn die Gefriereinrichtung aus irgendeinem Grund ausfällt – sei es wegen Wartung oder einer planmäßigen Abschaltung -, so kann zweckmäßigerweise flüssiges Kohlendioxid in das System gepumpt werden, um es auf ungefähr –78°C zu halten. Der Ultratiefgefrier-Sollpunkt (ungefähr –78°C) der Vorrichtung kann durch Installieren einer Flasche mit flüssigem Kohlendioxid abgesichert werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Karussell durch ein stationäres Lagerregal ersetzt werden, und es können weitere Lagerregale hinzugefügt werden. Der Austauschmechanismus ist dafür konfiguriert, einen Behälter zwischen dem Austauschmechanismus und dem einen oder den mehreren Regalen auszutauschen, während er sich in einer oder mehreren Regalaustauschpositionen befindet.
Ein Vorteil der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung für Ultratieftemperaturgefriereinrichtungen und des zugehörigen Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist, daß die Vorrichtung eigenständig arbeiten kann oder in ein vollautomatisches Labor integriert sein kann. Sie ist skalierbar und kann so an die Bedürfnisse kleiner Laboratorien wie auch großer Institutionen, die große Probenzahlen über lange Zeiträume lagern müssen, angepaßt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die Vorrichtung als eine Einschubeinheit für vorhandene Ultrakaltgefriereinrichtungen konstruiert werden kann, bei der der Großteil des Mechanismus' in der Tür untergebracht ist, so daß er von dem Kühlfach isoliert ist, wodurch sowohl die Anzahl der Tieftemperaturbauelemente als auch die vorzunehmenden Änderungen an der Gefriereinrichtung selbst minimiert werden. Eine verringerte Anzahl beweglicher Komponenten ist dauerhaft der Solltemperatur von etwa –80°C ausgesetzt, wodurch die Produktionskosten verringert werden.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind der verbesserten Probenqualität, den geringeren Betriebskosten und einem verringerten Wartungsaufwand der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung zuzuschreiben.
Und schließlich ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie das Arbeiten im Ultratief- oder einem noch niedrigeren Temperaturbereich automatisiert und eine benutzerfreundliche Informationstechnologie in einer bewährten, zuverlässigen Weise bereitstellt.
Diese und weitere Aufgaben, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen der im vorliegenden Text offenbarten Erfindung, gehen aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen im weiteren Textverlauf deutlicher hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Erfindung selbst werden anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden. In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf die automatische Lagerungs- und Entnahmevorrichtung.
2A zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung.
2B zeigt eine perspektivische teilweise Ansicht der Tür oder Wand eines Faches und/oder Gehäuses.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der klimageregelten Kammer mit der Außentür in der geöffneten und der geschlossenen Position.
4A und 4B zeigen eine schematische Vorderansicht bzw. Draufsicht der zugehörigen Verschiebemechanismen der klimageregelten Kammer.
5A-5D zeigen eine schematische Darstellung ausgewählter Positionen der Rotationsausrichtung des Austauschmechanismus'.
6A und 6B umfassen ein Flußdiagramm, das den Betriebsablauf zum Deponieren und Lagern eines Lagerbehälters oder dergleichen in der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung veranschaulicht.
7A und 7B umfassen ein Flußdiagramm, das den Betriebsablauf zum Entnehmen des anvisierten oder gewünschten Lagerbehälters oder dergleichen in der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung veranschaulicht.
8 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Lagerkarussells der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einzelnen vertikalen Regals aus dem Karussell von 8, das aus mehreren Lagerschalen besteht.
10A und 10B zeigen eine schematische perspektivische Ansicht der Lagerschalen und ihres entsprechenden Zusammenspiels mit den vertikalen Stützen des Karussells.
11A und 11B sind schematische perspektivische Ansichten des Austauschmechanismus' und zugehöriger Komponenten.
12 zeigt ein schematisches Blockschaubild der allgemeinen Merkmale des Steuerungssystems der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung.
13 zeigt ein schematisches Blockschaubild eines beispielhaften Computersystems in Verbindung mit einer Ausführungsform der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung.
14A und 14B zeigen schematische perspektivische Ansichten einer alternativen Ausführungsform der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung.
15A-15D zeigen schematische Draufsichten einer alternativen Ausführungsform der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung, die ein erweitertes Netzwerksystem von zusammenwirkenden Gefriereinrichtungen.
16A und 16B zeigen schematische perspektivische vorderseitige Außenansichten des Gehäuses der Klimaregelkammer mit zugehörigen Komponenten in der geschlossenen bzw. der geöffneten Position.
17A und 17B zeigen schematische perspektivische rückseitige Innenansichten des Gehäuses der Klimaregelkammer mit zugehörigen Komponenten in der geschlossenen bzw. der geöffneten Position.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die Zeichnungen, ist die vorliegende Erfindung schematisch in der Draufsicht von 1 und in der perspektivischen Ansicht von 2A gezeigt und enthält eine automatische Lagerungs- und Entnahmevorrichtung 1, die ein oder mehrere Lagerkarussells 20 aufweist, die in einem Kühlfach 10 angeordnet sind, mit einem oder mehrere optionalen stationären Regalen 26, 27, einem Austauschmechanismus 40 und einer klimageregelten Kammer 60, die allgemein an einer Wand 11 des Kühlfachs 10 oder des Gehäuses 2 angeordnet ist. Ein zentrales Steuerungssystem 80 ist mit dem Lagerkarussell 20, dem Austauschmechanismus 40 und der klimageregelten Kammer 60 verbunden, um deren Betrieb zu steuern. Das Steuerungssystems 80 steuert allgemein den Betrieb der Vorrichtung so, daß die Behälter von außerhalb in die klimageregelte Kammer 60 geladen werden können, um durch den Austauschmechanismus 40 entnommen zu werden, um in das Karussell 20 in dem Kühlfach 10 eingeschoben zu werden. Die eingelagerten Behälter können anschließend durch den Austauschmechanismus 40 aus dem Karussell 20 entnommen werden und stehen zur Herausgabe nach draußen durch die klimageregelte Kammer 60 hindurch zur Verfügung.
2B zeigt eine perspektivische teilweise Ansicht der Wand 11 des Faches und/oder der Tür des Gehäuses. An der Wand 11 sind die klimageregelte Kammer 60 und eine Berührungsbildschirmschnittstelle 82 montiert. Wie später noch besprochen wird, wird in Betracht gezogen, daß auf ein Steuerungssystem und ein Computersystem mit Hilfe der Berührungsbildschirmschnittstelle 82 direkt und/oder räumlich abgesetzt über einen eigenständigen Personalcomputer oder mit einem Local Area Network (LAN) zugegriffen werden kann.
Als nächstes werden die Details der klimageregelten Kammer 60 besprochen, wie am besten in den 3 und 4A-4B gezeigt. Ein besonders wünschenswertes Merkmal ist, daß die klimageregelte Kammer 60 verhindert, daß während des Einlagerns und der Entnahme des Lagerbehälters feuchte Umgebungsluft in das Innere des Kühlfachs 10 eindringt. Die Kammer 60 hat eine Innentür 61, um eine Verbindung zwischen dem Kühlfach 10 und der Kammer 60 zu ermöglichen, und eine Außentür 62, um eine Verbindung zwischen der Außenumgebung (oder dem angrenzenden Bereich) und der Kammer 60 zu ermöglichen. Die Kammer 60 hat ein Klimaregelsystem 66, das die Möglichkeit einer Luftspülung enthält, um die Luft in der Kammer 60 zu kühlen und zu entfeuchten, bevor die Innentür 61 geöffnet wird. Eine Abtastlesevorrichtung 65, vorzugsweise ein Strichcodelesegerät, ist in der Kammer 60 angeordnet, um Lagerbehälter zu identifizieren, wenn sie in die Kammer 60 eingebracht und aus der Kammer 60 herausgenommen werden. Informationen bezüglich der Lagerbehälter werden von dem Lesegerät 65 an einen zentralen und/oder räumlich abgesetzten Prozessor übermittelt.
Wir bleiben bei den 3 und 4A-4B, wo die Lagerbehälter 3 von einer Transportschale 63 getragen werden, die verschiebbar in zwei Kanälen 67, 68 montiert ist. Die Transportschale 63 kann den Behälter 3 nach draußen transportieren, wenn die Außentür 62 geöffnet ist, wie durch die Strichlinien angedeutet. Alternativ kann die Transportschale 63 den Behälter 3 in das Innere des Kühlfachs 10 transportieren, wenn die Innentür 61 geöffnet ist, wie durch die Strichlinien angedeutet. In einer Ausführungsform kann die Innentür 61 auf einer (nicht gezeigten) Schiene aufgeschoben und zugeschoben werden. Ein Klimaregelsystem 66 steht mit der Kammer 60 in Verbindung, das die Kammer 60 entfeuchtet und kühlt, während der Behälter darin isoliert ist, d. h. während sowohl die Außen- als auch die Innentür geschlossen sind. Das Klimaregelsystem 66 enthält ein Trockengas- oder Trockenluftspülsystem (d. h. Stickstoff, Kohlendioxid oder dergleichen), das rasch die Umgebungsluftfeuchte auf einen beliebigen gewünschten Wert senkt, zum Beispiel weniger als etwa 25 % relative Luftfeuchte (RL) und sogar bis auf etwa 1 % RL. Praktisch senkt jedes komprimierte Gas, dem die Feuchtigkeit entzogen wurde, die Luftfeuchte in der Luftschleuse und kühlt die Luftschleuse durch adiabatische Expansion auf etwa –10°C bis etwa 0°C oder auf einen sonstigen gewünschten Wert.
Bevorzugte Ausführungsformen der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung und des zugehörigen Verfahrens der vorliegenden Erfindung arbeiten bei einer ultratiefen Temperatur von etwa –50°C bis etwa –90°C. Es versteht sich, daß die Vorrichtung in einem Bereich von –50°C bis zur Umgebungstemperatur oder darüber arbeiten kann. Die normale Sollbetriebstemperatur des Kühlfachs der vorliegenden Erfindung beträgt etwa –80°C. Es ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung auch dafür vorgesehen ist, bei Bedingungen zu arbeiten, die kälter als ultratiefe Temperaturen sind, und zwar im Bereich von etwa –140°C bis etwa –90°C. Wenn die Gefriereinrichtung aus irgendeinem Grund ausfällt – sei es wegen Wartung oder einer planmäßigen Abschaltung -, so kann zweckmäßigerweise flüssiges Kohlendioxid in das System gepumpt werden, um es auf ungefähr –78°C zu halten. Der Ultratiefgefrier-Sollpunkt der Vorrichtung kann somit durch Installieren einer Flasche mit flüssigem Kohlendioxid abgesichert werden.
Dem Fachmann ist klar, daß verschiedene Arten und Ersatzvorrichtungen für die Innen- und die Außentür der Kammer verwendet werden können. Des Weiteren kann eine einzelne Tür verwendet werden, die sich zwischen einer Innen- und einer Außenseite drehen kann.
Es werden nun weitere Details bezüglich der klimageregelten Kammer 60 beschrieben, wie am besten in den perspektivischen Ansichten der 16A-16B und der 17A-17B zu sehen. In den 16A-16B und den 17A-17B sind die vorderseitige Außenansicht bzw. die rückseitige Innenansicht der klimageregelten Kammer 60 gezeigt. Wie in der vorderseitigen Außenansicht von 16A gezeigt, enthält die Kammer 60 ein Kammergehäuse 91, dessen Außentür 62 sich in einer geschlossenen Position befindet, und eine Tiefmuldenmikroplatte 92 ist auf der Transportschale 63 angeordnet. Es versteht sich, daß auch eine Flachmuldenmikroplatte verwendet werden kann, wie auch jede sonstige Größe, Art oder Anzahl von Behältern, die sich für die Einlagerung und den Austausch konfigurieren lassen. Des Weiteren sind ein Schalenmotor und ein Getriebegehäuse 93, eine Lesevorrichtung 65 und ein Luftspülungsanschluß 94 gezeigt. 16B zeigt die Kammer 60, deren Außentür 62 sich in einer geöffneten Position befindet.
Wenden wir uns der rückseitigen Innenansicht der 17A-17B zu, wo die Kammer 60 gezeigt ist, die ein Innentür-Motorgetriebe und -Motorgehäuses 95 und eine Antriebsspindel 96 enthält und deren Innentür 61 sich in einer geschlossenen Position befindet. 17B zeigt die Kammer 60, deren Innentür 61 sich in einer geöffneten Position befindet, mit der Tiefmuldenmikroplatte 92 auf der Transportschale 63.
Weitere Details des Zusammenwirkens zwischen dem Kühlfach 10, dem Karussell 20, den stationären Regalen 26, 27, dem Austauschmechanismus 40 und der klimageregelten Kammer 60 sind schematisch in den 5A-5D gezeigt. Der Austauschmechanismus 40 ist dafür konfiguriert, Behälter zwischen sich und dem Karussell 20 (siehe 5B), den stationären Lagerregalen 26, 27 (siehe die jeweiligen 5C-5D) und dem klimageregelten Fach 60 (siehe 5A) auszutauschen. Es kommen auch verschiedene andere Lagermittel als die offenbarten Karussells oder stationären Regale in Betracht. Zu solchen Lagermitteln gehören – ohne darauf beschränkt zu sein – automatische Stapelvorrichtungen, und mit eventueller zusätzlicher Mechanik, rechteckige Anordnungen von Lagernestern (oder Karussells oder Regale mit vorgegebenen Formen, einschließlich linear, oval, pentagonal, hexagonal usw.). Der Austauschmechanismus 40 erfordert einen Entnahmemechanismus 41 zum horizontalen Verschieben der Austauschschale 44 zum Austauschen des Behälters 3 mit dem Karussell 20 oder der klimageregelten Kammer 60. Zu verschiedenen Entnahmemechanismen gehören einschließlich beispielsweise Antriebsspindeln, Entnahmevorrichtungen, Vakuumvorrichtungen, seitliche Greiffinger, vertikale Greifzangen und Transportbänder. Der Austauschmechanismus 40 umfaßt des Weiteren eine Vertikaltransportvorrichtung 42, die dafür konfiguriert ist, ein vertikales Verschieben des Austauschmechanismus' 40 über mehrere diskrete Höhen hinweg zu ermöglichen. Zu verschiedenen Vertikaltransportvorrichtungen gehören beispielsweise Antriebsspindeln, Kettentriebe und Transportbänder. Des Weiteren umfaßt der Austauschmechanismus 40 eine Rotationstransportvorrichtung 43, die dafür konfiguriert ist, den Austauschmechanismus 40 in mehrere diskrete umfängliche Positionen zu drehen. Zu verschiedenen Rotationsmechanismen gehören beispielsweise Antriebsspindeln, Schwenkvorrichtungen, Zahnradantriebe, Riemen- oder Kettentriebe, pneumatische oder hydraulische Vorrichtungen und Transportbänder.
Was die Steuerungsoperationen anbelangt, werden die Automatisierung und die Roboterbewegungen der vorliegenden Erfindung, die im vorliegenden Text beschrieben sind, zum Teil durch das Steuerungssystem 80 und den Prozessor 81 erzeugt. Es ist zu beachten, daß die folgenden beispielhaften Funktionsabläufe variiert werden können, teilweise weggelassen werden können, überlappt werden können, um die Gesamtablaufzeit der Operation zu verkürzen, oder zu einer alternativen Abfolge umgeordnet werden können.
Der Funktionsablauf für das Deponieren 600 eines Lagerbehälters ist in dem Flußdiagramm der 6A-6B dargestellt. In einem ersten Schritt 601 öffnet sich die Außentür 62, und die Transportschale 63 fährt heraus, und der Lagerbehälter 3 wird in die Kammer 60 eingebracht. In Schritt 602 schließt sich die Außentür 62, die Transportschale 63 kehrt in die Kammer 60 zurück, und der Strichcode des Lagerbehälters wird durch das Lesegerät 65 gescannt, und es wird eine Lagerposition zugeordnet. In Schritt 603 befinden sich die Außentür 62 und die Innentür 61 in einer geschlossenen Position, während das Luftspülsystem 66 die Luft in der Kammer 60 kühlt und entfeuchtet. In Schritt 604 öffnet sich die Innentür 61, die Transportschale 63 transportiert den Behälter 3 nach innen, ein Entnahmemechanismus 43 wird in die Kammer 60 vorgeschoben, um die Lagerbehälter aufzunehmen, und fährt dann zurück, um den Behälter 3 auf der Austauschschale 44 abzulegen, und die Innentür schließt sich. In Schritt 605 wird das Lagerkarussell 20 so gedreht, daß das richtige vertikale Regal 23 rotational auf die künftige Position des Austauschmechanismus' 40 ausgerichtet ist. In Schritt 606 wird der Austauschmechanismus 40 durch eine Vertikaltransportvorrichtung 42 vertikal so betätigt, daß eine vertikale Ausrichtung auf die richtige Höhe der anvisierten Lagerschale 28 erfolgt. In Schritt 607 dreht eine Rotationstransportvorrichtung 43 den Austauschmechanismus 40 so, daß er rotational auf das richtige vertikale Regal 23 ausgerichtet ist. In Schritt 608 wird der Entnahmemechanismus 43 im Wesentlichen horizontalen vorangeschoben, um den Lagerbehälter 3 auf der Lagerschale 28 abzulegen. In Schritt 609 wird der Entnahmemechanismus 43 vertikal um eine gewünschte nominale Distanz, zum Beispiel ungefähr 0,3175 cm (1/8 Inch), abgesenkt und im Wesentlichen horizontalen zurückgezogen, um den Lagerbehälter 3 loszulassen. In Schritt 610 zeichnet der Prozessor relevante Lagerbehälterinformationen in der Datenbank auf. In Schritt 611 – sofern keine weitere Aktivität an dem Lagerkarussell 20 (oder an einem stationären Lagerregal 26, 27) erforderlich ist – wird der Austauschmechanismus 40 so gedreht, daß er rotational auf die Innentür 61 der Kammer 60 ausgerichtet ist, und der Austauschmechanismus 60 wird vertikal so betätigt, daß er vertikal auf die Innentür 61 ausgerichtet ist, um einen Ruhezustand einzunehmen. Es ist zu beachten, daß ein ähnlicher Prozeß und Aspekt auch für die stationären Regale 26, 27 gilt, nur daß sich die Regale nicht drehen.
Als nächstes wird der Funktionsablauf für das Entnehmen 700 der gewünschten oder anvisierten Behälter 3 aus den Lagerschalen 28 in dem Flußdiagramm der 7A-7B beschrieben. In einem ersten Schritt 701 wird eine Lagerbehälterkennung (ID) für einen gewünschten oder anvisierten Behälter elektronisch oder über eine Dateneingabevorrichtung eingegeben, wie zum Beispiel über ein Anzeigepaneel, das mit dem Vorrichtungsgehäuse integral ausgebildet ist oder von diesem räumlich abgesetzt ist, die beide mit dem Steuerungssystem 80 wirkverbunden sind. In Schritt 702 lokalisiert ein zentraler Prozessor 81 relevante Lagerbehälterinformationen in der Datenbank, und die Position des Lagerbehälters in dem Lagerkarussell 20 (oder den stationären Lagerregalen) wird ermittelt. Optional wird in Schritt 703, wenn eine Sicherheitsfunktion benötigt wird, ein Zugangscode über die Dateneingabevorrichtung, wie zum Beispiel ein Anzeigepaneel, das integral mit dem Vorrichtungsgehäuse ausgebildet ist, oder einen räumlich abgesetzten Prozessor eingegeben und durch den zentralen Prozessor 81 bestätigt, um den Zugriff auf den gewünschten Lagerbehälter 3 zu gestatten. In Schritt 704 wird das Lagerkarussell 20 so gedreht, daß das richtige vertikale Regal 23, das den gewünschten Lagerbehälter 3 enthält, rotational auf die künftige Position des Austauschmechanismus' 40 ausgerichtet ist. In Schritt 705 wird der Austauschmechanismus 40 durch eine Vertikaltransportvorrichtung 42 vertikal so betätigt, daß er vertikal auf die richtige Höhe einer gewünschten Lagerschale 28 ausgerichtet ist. In Schritt 706 dreht die Rotationstransportvorrichtung 43 den Austauschmechanismus 40 so, daß er rotational auf das richtige vertikale Regal 23 ausgerichtet ist. In Schritt 707 wird der Entnahmemechanismus 43 im Wesentlichen horizontalen vorgeschoben, um den Lagerbehälter 3 aus der Lagerschale 28 zu entnehmen. In Schritt 708 wird der Entnahmemechanismus 43 vertikal um eine gewünschte nominale Distanz, zum Beispiel ungefähr 1/8 Inch, angehoben und horizontalen zurückgezogen, um den Lagerbehälter 3 in Eingriff zu nehmen und zurückzuziehen. In Schritt 709 wird der Austauschmechanismus 40 so gedreht, daß er rotational auf die Innentür 61 der Kammer 60 ausgerichtet ist. In Schritt 710 befinden sich die Außentür 62 und die Innentür 61 in einer geschlossenen Position, während das Luftspülsystem 66 die Luft in der Kammer 60 kühlt und entfeuchtet. In Schritt 711 öffnet sich die Innentür 61, die Transportschale 63 fährt aus, während sich der Entnahmemechanismus 43 in die Kammer 60 hinein bewegt, um den Lagerbehälter in der Kammer 60 loszulassen. In Schritt 712 fährt der Entnahmemechanismus in das Kühlfach zurück, und die Innentür 61 schließt sich, und das Lesegerät 65 liest die Strichcode-ID des Lagerbehälters, um zu bestätigen, daß sie mit der ID übereinstimmt, die in Schritt 701 des Entnahmeprozesses der vorliegenden Erfindung eingegeben wurde. In Schritt 713 öffnet sich die Außentür 62 und gestattet den Zugriff auf den Lagerbehälter 3. Es ist zu beachten, daß ein ähnlicher Prozeß und Aspekt auch für die stationären Regale 26, 27 gilt, nur daß sich die Regale nicht drehen.
Als nächstes werden Details zum Lagerkarussell 20 besprochen, wie in den 8-9 schematisch gezeigt. Die perspektivische Ansicht, die in 8 gezeigt ist, enthält ein Karussell 20, bei dem einige Regale 23 zu Veranschaulichungszwecken weggelassen wurden. Das Karussell 20 umfaßt einen Ring aus vertikalen Regalen 23, die umfänglich zwischen einer oberen horizontalen Platte 29 (in Strichlinie gezeigt) und einer unteren horizontalen Platte 30 angeordnet sind. Das Karussell kann verschiedene Größen, Abmessungen und Formen haben, einschließlich linear, rechteckig, pentagonal und hexagonal oder dergleichen. Eine Grundplatte 31 dient als ein Fundament zum Tragen des Lagerkarussells 20, während es eine Drehung des Karussells 20 um die vertikale Achse gestattet. Die Rotation des Karussells 20 wird durch eine Motorantriebswelle 32 bewirkt, die durch die untere horizontale Platte 30 und die Grundplatte 31 hindurch verläuft und mit einem (nicht gezeigten) Motor verbunden ist. Der Motor ist vorzugsweise unter dem Boden des Kühlfachs 10 montiert, wo die Kälteerzeugungstechnik untergebracht ist und wo der Motor nicht den ultrakalten Temperaturen des Kühlfachs 10 ausgesetzt ist. Das Lagerkarussell 20 kann auf einem Kugellagersystem ruhen, um eine verringerte Reibung bei ultrakalten Temperaturen zu erzeugen. Es kann ein selbstschmierendes Lagersystem, zum Beispiel aus Graphitkeramik, verwendet werden, wie auch andere Arten, die dem Fachmann bekannt sind. Vertikale Regale 23 sind an der oberen horizontalen Platte 29 und der unteren horizontalen Platte 30 mit rechtwinkligen Konsolen oder dergleichen befestigt. Die vertikalen Regale 23 umfassen einen vertikalen Stützpfeiler 33 und mehrere verstellbare Lagerschalen 28, um mehrere Lagerbehälter 3 aufzunehmen, die von Standard- oder variierender Größe sein können.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines einzelnen vertikalen Regals 23, das aus mehreren Lagerschalen 28 besteht.
Als nächstes werden Details bezüglich der Lagerschalen 28 und des Zusammenwirkens mit dem vertikalen Stützpfeiler 33 des Karussells 20 besprochen, wie am besten in den 10A-10B gezeigt. Die Lagerschalen 28 haben eine flache, horizontal ausgerichtete Tragefläche 34 mit einer offenen Mitte 35, damit der Austauschmechanismus 40 die Lagerbehälter 3 in Eingriff nehmen kann, um sie entweder auf der Lagerschale 28 abzulegen oder von der Lagerschale 28 herunterzunehmen. Die Lagerschalen 28 haben eine flache, vertikal ausgerichtete Befestigungsfläche 36, die in einem rechten Winkel zu dem proximalen Rand der Lagerschalen 28 angeordnet ist, wodurch ein Verbinden der Lagerschalen 28 mit dem vertikalen Stützpfeiler 33 der vertikalen Regale 23 mittels einer Befestigungsbaugruppe 37 (teilweise gezeigt) ermöglicht wird. Es werden je nach der Art der Interaktionen zwischen den verschiedenen Komponenten und Teilsystemen noch weitere Konfigurationen der Befestigungsbaugruppe 37 in Betracht gezogen. Der distale Rand der Lagerschalen 28 ist offen und weist nach außen, um den Zugriff auf die Lagerbehälter zu gestatten. Je nach der Art der Interaktionen zwischen den verschiedenen Komponenten und Teilsystemen werden noch weitere Konfigurationen der Lagerschalen 28 in Betracht gezogen. Vertikal ausgerichtete erhöhte Führungen 38 sind an den Seitenrändern der Lagerschalen 28 angeordnet, um zu verhindern, daß die Lagerbehälter auf den Lagerschalen 28 ihre Ausrichtung verlieren. Die erhöhten Führungen 38 können aus der Oberfläche der Lagerschalen 28 herausgestanzt oder auf eine sonstige dem Fachmann bekannte Weise ausgebildet werden.
Als nächstes werden Details einer beispielhaften Ausführungsform des Austauschmechanismus' 40 besprochen, wie am besten in den 11A-11B gezeigt. In dieser konkreten Ausführungsform umfaßt der Austauschmechanismus 40 ein Paar Führungsschienen 45 und 46, die – mit ihren Achsen in vertikaler Richtung – in dem Kühlfach 10 angeordnet sind, und sie erstrecken sich über eine große Länge, je nachdem, wie es von den diskreten Höhen der verschiedenen Austauschoperationen verlangt wird. Die Führungsschienen 45 und 46 sind gleitfähig an der Austauschplatte 47 montiert. Eine vertikale Antriebsspindel 48, deren Achse der Länge nach in dem Kühlfach 10 verläuft, wird durch einen Motor 53, der unter dem Kühlfach angeordnet ist, betätigt, um die Austauschplatte 47 vertikal auf eine gewünschte Höhe zu bewegen. Eine vertikal montierte rotierende Vierkantwelle 49 wird durch einen Motor 54 angetrieben, der unter dem Boden des Kühlfachs 10 montiert ist. Die Vierkantwelle 49 treibt die Austauschschale 44 mittels eines Zahnradgetriebes an, wie zum Beispiel mittels des Vierkantwellenzahnrades 50 und des Schalenzahnrades 51, wie gezeigt. Das Antriebszahnrad greift in eine Zahnstange 52 ein, die mit der Austauschschale 44 verbunden ist. Während des Betriebes dreht sich die Vierkantwelle 49 in Uhrzeigerrichtung, um das Zahnradgetriebe und die Zahnstange 52 anzutreiben, wodurch die Austauschschale 44 horizontal in eine ausgefahrene Position angetrieben wird, wie durch die Strichlinien gezeigt. Während sie sich in der ausgefahrenen Position befindet, ist die Austauschschale 44 in der Lage, einen Behälter zu entnehmen oder abzulegen. Als nächstes dreht sich die Vierkantwelle 49 entgegen dem Uhrzeigersinn, um das Zahnradgetriebe und die Zahnstange 52 in eine entgegengesetzte Richtung anzutreiben, wodurch sich die Zahnstange 52 und die Austauschschale 44 in eine Ruheposition zurückziehen. Die Rotationstransportvorrichtung 43, die durch einen (nicht gezeigten) Motor angetrieben wird, der unter dem Boden des Kühlfachs 10 montiert ist, dreht den Austauschmechanismus 40 so, daß er rotational auf das richtige vertikale Regal 23 oder stationäre Lagerregal 26, 26 und die Innentür 61 der Kammer 60 oder eine sonstige andere Position – je nach Bedarf – ausgerichtet ist. Die Rotationstransportvorrichtung 43 kann unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Mitteln geschwenkt, gedreht oder verschoben werden.
Es ist zu beachten, daß es sich bei den Motoren für das Lagerkarussell 20, die Vertikaltransportvorrichtung 42, die Rotationstransportvorrichtung 43, den Entnahmemechanismus 42 und die Transportschale 63 um eine Vielzahl verschiedener Arten von Motoren handeln kann, die dem Fachmann bekannt sind, einschließlich beispielsweise Servomotoren und Schrittmotoren oder ein Gleichstrommotor mit geeigneten Positions- oder Geschwindigkeitssteuerungen. In den verschiedenen im vorliegenden Text offenbarten bevorzugten Ausführungsformen sind die Motoren außerhalb des Kühlfachs 10 montiert, um die Lebensdauer der Komponente zu verlängern und die Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit der Vorrichtung insgesamt zu verbessern. Mit Ausnahme der Transportschale 63 sind die Antriebswellen durch eine Reihe ausgeklügelter Wärmedichtungen und Wärmekoppler montiert, die dafür ausgelegt sind, die Temperaturstabilität durch alle Betriebszyklen hindurch zu wahren. In einer ausgewählten Ausführungsform können die Servomotoren ein SMART MOTOR von der Antimatics, Corp. sein. Diese Art von Servomotoren sind mikroprozessorgesteuert, was eine exakte Plazierung und Überwachung der Roboterkomponenten, die innerhalb der kritischen Umgebung arbeiten, gewährleistet. Es können aber jegliche positions- oder geschwindigkeitsgesteuerten Motoren verwendet werden.
Als nächstes werden die allgemeinen Merkmale des Steuerungssystems 1280 der vorliegenden Erfindung besprochen, wie in dem Blockschaubild von 12 gezeigt. Das Steuerungssystem 1280 ist mit einen Computersystem 1281 verbunden, das in das Gehäuse 2 integriert sein kann oder über eine verdrahtete oder eine drahtlose Kommunikation räumlich abgesetzt sein kann oder eine Kombination davon sein kann. Des Weiteren kann das Steuerungssystem 1280 mit einem Laborinformationsverwaltungssystem (LIVS) 1282 kommunizieren oder darin integriert sein. Das Steuerungssystem 1280 ist mit den verschiedenen Motoren 1283, Stellgliedern 1284, Positionssensoren 1285 und Identifikationssensoren 1286 wirkverbunden. Es wird auch in Betracht gezogen, daß die Informationen, die aus der Probe oder dem Werkstück, die bzw. das in dem Behälter 3 transportiert wird, gewonnen werden, während die Erfindung praktiziert wird, eine informationstechnologische Plattform für den Nutzer darstellen. Das Computersystem 1281 ist dafür vorgesehen, benutzerfreundlich zu sein und mit einer auf Windows gestützten Plattform oder einem sonstigen Betriebssystem zu arbeiten, und kann in eine Vielzahl verschiedener Laborinformationsverwaltungssysteme integriert sein. Es wird in Betracht gezogen, daß auf das Steuerungssystem 1280 und das Computersystem 1281 direkt über eine Berührungsbildschirmschnittstelle oder räumlich abgesetzt durch einen eigenständigen Personalcomputer oder mit einem Local Area Network (LAN) zugegriffen werden kann.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gibt dem Nutzer unter anderem die Möglichkeit, übergeordnete nutzerdefinierbare Parameter einzustellen, um den Zugriff auf Behälter (Proben) auf der Grundlage von Forschungsgruppen, Forschungsprojekten oder einzelnen Laboratorien zu steuern. Zum Beispiel können Probendaten durch den Nutzer so konfiguriert werden, wie es den besonderen Forschungserfordernissen des Nutzers entspricht. Die Datenbank kann dann die Probenbestände des Nutzers durchsuchen, um alle Proben zu finden, die mit den vom Nutzer angeforderten Forschungsparametern übereinstimmen. Des Weiteren werden kontinuierlich Zeit- und Temperaturprofile und Probenzugriffsverläufe geführt. Die vorliegende Erfindung gestattet es dem Nutzer, Probenmigrationsschwellen einzustellen. Dieses Merkmal, das Probenutzungshäufigkeiten verwendet, veranlaßt die Verschiebung von selten benötigten Proben in langfristigere Lagereinheiten, wodurch die Effizienz des Probenprozeßverwaltungssystems des Nutzers erhöht wird. Des Weiteren ermöglicht die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dem Nutzer die Erstellung einer Vielzahl verschiedener Berichte zur Unterstützung der des Qualitätssicherungsanforderungen des Nutzers. Und schließlich profitiert der Nutzer von der Informationstechnologie der vorliegenden Erfindung durch den Erhalt einer ausgezeichneten Probesicherheit, einer optimalen Probensichtbarkeit, einer optimalen Qualitätssicherung, einer Probenmigrationskontrolle und einer flexiblen Datenverwaltung.
Als nächstes werden beispielhafte Ausführungsformen des Steuerungssystems und Computersystems besprochen, wie am besten in 13 gezeigt. Die Steuerungs- und Verarbeitungsabläufe der vorliegenden Erfindung können mittels Hardware, Software oder einer Kombination aus beidem implementiert werden und können in einem einzelnen oder in mehreren Computersystemen oder anderen Verarbeitungssystemen implementiert werden, wie zum Beispiel Persönliche Digitale Assistenten (PDAs). In einer beispielhaften Ausführungsform wurde die Erfindung in Software implementiert, die auf einem Allzweckcomputer 1300 arbeitet, wie in 13 veranschaulicht. Das Computersystem 1300 enthält einen oder mehrere Prozessoren, wie zum Beispiel den Prozessor 1304. Der Prozessor 1304 ist mit einer Kommunikationsinfrastruktur 1306 verbunden (zum Beispiel einem Kommunikationsbus, einer Weiche oder einem Netzwerk). Das Computersystem 1300 enthält eine Anzeigeschnittstelle 1302, die Grafik, Text und weitere Daten von der Kommunikationsinfrastruktur 1306 (oder von einem nicht gezeigten Bildwiederholspeicher) zur Anzeige auf der Anzeigeeinheit 1330 weitergeleitet wird.
Das Computersystem 1300 enthält des Weiteren einen Hauptspeicher 1308, vorzugsweise einen Direktzugriffsspeicher (RAM), und kann auch einen Sekundärspeicher 1310 enthalten. Der Sekundärspeicher 1320 kann zum Beispiel ein Festplattenlaufwerk 1312 und/oder ein Wechseldatenspeicherlaufwerk 1314 enthalten, worunter ein Diskettenlaufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, ein optisches Disk-Laufwerk usw. zu verstehen ist. Das Wechseldatenspeicherlaufwerk 1314 liest und/oder beschreibt eine Wechseldatenspeichereinheit 1318 in einer allgemein bekannten Weise. Unter einer Wechseldatenspeichereinheit 1318 ist eine Diskette, ein Magnetband, eine optische Disk usw. zu verstehen, die bzw. das durch ein Wechseldatenspeicherlaufwerk 1314 gelesen und beschrieben wird. Es versteht sich, daß die Wechseldatenspeichereinheit 1318 ein computernutzbares Speichermedium enthält, auf dem Computersoftware und/oder Daten gespeichert sind.
In alternativen Ausführungsformen kann der Sekundärspeicher 1310 auch andere Mittel enthalten, mit denen Computerprogramme oder andere Instruktionen in das Computersystem 1300 geladen werden können. Zu solchen Mitteln können zum Beispiel eine Wechseldatenspeichereinheit 1322 und eine Schnittstelle 1320 gehören. Zu Beispielen solcher Wechseldatenspeichereinheiten und Schnittstellen gehören eine Programmkassette und eine Kassettenschnittstelle (wie man sie zum Beispiel in Videospielkonsolen findet), ein Wechselspeicherchip (wie zum Beispiel ein ROM, PROM, EPROM oder EEPROM) und ein zugehöriger Sockel sowie weitere Wechseldatenspeichereinheiten 1322 und Schnittstellen 1320, die das Übertragen von Software und Daten von der Wechseldatenspeichereinheit 1322 in das Computersystem 1 300 ermöglichen.
Das Computersystem 1300 kann auch eine Kommunikationsschnittstelle 1324 enthalten. Die Kommunikationsschnittstelle 1324 gestattet die Übertragung von Software und Daten zwischen dem Computersystem 1300 und externen Geräten. Zu Beispielen von Kommunikationsschnittstellen 1324 können ein Modem, eine Netzwerkschnittstelle (wie zum Beispiel eine Ethernet-Karte), ein Kommunikationsport, ein PCMCIA-Steckplatz und eine PCMCIA-Karte usw. gehören. Die Software und die Daten, die über die Kommunikationsschnittstelle 1324 übertragen werden, haben die Form von Signalen 1328, die elektronische, elektromagnetische, optische oder sonstige Signale sein können, die von der Kommunikationsschnittstelle 1324 empfangen werden können. Die Signale 1328 werden über einen Kommunikationspfad (d. h. Kanal) 1326 zu der Kommunikationsschnittstelle 1324 geleitet. Ein Kanal 1326 (oder ein sonstiges Kommunikationsmittel oder ein sonstiger Kommunikationskanal, die im vorliegenden Text offenbart sind) transportiert Signale 1328 und kann mittels Draht oder Kabel, Faseroptik, einer Telefonleitung, einer Zelltelefonverbindung, einer HF-Verbindung und sonstiger Kommunikationskanäle implementiert sein.
In diesem Dokument werden die Begriffe "Computerprogrammedium" und "computernutzbares Medium" allgemein für Medien wie zum Beispiel das Wechseldatenspeicherlaufwerk 1314, eine Festplatte, die in dem Festplattenlaufwerk 1312 installiert ist, und Signale 1328 verwendet. Diese Computerprogrammprodukte sind Mittel zum Einspeisen von Software in das Computersystem 1300. Die Erfindung enthält solche Computerprogrammprodukte.
Computerprogramme (auch als Computersteuerlogik) bezeichnet, sind im Hauptspeicher 1308 und/oder im Sekundärspeicher 1310 gespeichert. Computerprogramme können auch über die Kommunikationsschnittstelle 1324 empfangen werden. Solche Computerprogramme ermöglichen es dem Computersystem 1300 bei ihrer Ausführung, die Merkmale der vorliegenden Erfindung, wie im vorliegenden Text besprochen, auszuführen. Insbesondere ermöglichen es die Computerprogramme bei ihrer Ausführung dem Prozessor 1304, die Funktionen der vorliegenden Erfindung auszuführen. Dementsprechend bilden solche Computerprogramme Steuerungen des Computersystems 1300.
In einer Ausführungsform, wo die Erfindung mittels Software implementiert ist, kann die Software in einem Computerprogrammprodukt gespeichert sein und in das Computersystem 1300 mittels des Wechseldatenspeicherlaufwerks 1314, der Festplatte 1312 oder der Kommunikationsschnittstelle 1324 heruntergeladen werden. Wenn die Steuerlogik (Software) durch den Prozessor 1304 ausgeführt wird, so veranlaßt sie den Prozessor 1304, die im vorliegenden Text beschriebenen Funktionen der Erfindung auszuführen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung überwiegend in Hardware beispielsweise mittels Hardware-Komponenten, wie zum Beispiel anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (ASICs), implementiert. Die Implementierung der auf Hardware basierenden Maschine zum Ausführen der im vorliegenden Text beschriebenen Funktionen ist dem einschlägig bewanderten Fachmann geläufig.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung mittels einer Kombination aus Hardware und Software implementiert.
In einer beispielhaften Software-Ausführungsform der Erfindung wurden die oben beschriebenen Verfahren in der Kommandosprache VISUAL BASIC implementiert, aber sie könnten auch in anderen Programmen, wie zum Beispiel der Programmiersprache C++, implementiert sein.
Als nächstes werden Details einer alternativen zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besprochen, wie am besten in den 14A-14B gezeigt. Das Lagerkarussell ist fest an seinem Ort (d. h. ohne Rotation) montiert, so daß es einen festen Turm 1420 bildet. Die Lagerbehälter 1403 sind auf Ablageflächen 1428 in der gleichen Weise wie in dem Lagerkarussell untergebracht. Allerdings befindet sich der Austauschmechanismus 1440 in dem Zentralkern 1439 des festen Turms 1420. Der Austauschmechanismus 1440 enthält eine Austauschschale 1444 und kann sich um seine Achse drehen und sich vertikal bewegen, wie oben im vorliegenden Text besprochen. Der Austauschmechanismus 1440 nimmt Lagerbehälter von den Ablageflächen herunter, bringt sie zu einer vertikalen Position, die auf ein Zugriffsportal 1437 ausgerichtet ist, und bewegt sie durch das Portal 1437 durch die klimageregelte Kammer 1460 hindurch nach außerhalb der Gefriereinrichtung. Es ist anzumerken, daß das Zugriffsportal 1437 ein festes Loch in dem festen Turm 1420 ist, durch das Proben zu dem Austauschmechanismus 1440 gelangen können. Es können ein oder mehrere Zugriffsportale verwendet werden, wenn man mehrere feste Türme 1420 oder rotierende Karussells miteinander kombinieren will, oder es können mehrere Zugangspunktportale 1437 vorgesehen sein. Des Weiteren kann das Zugriffsportal beweglich sein, wenn man für eine Säule des Turms 1420 eine Drehbewegung ermöglichen will.
Ein Vorteil des Konzepts dieser zweiten Ausführungsform – ohne darauf beschränkt zu sein – ist, daß eine Unterbringung in einem zylindrischen Kühlfach möglich ist, das weniger Platz beansprucht. Des Weiteren machen diese Vorrichtung und dieses Verfahren einen Rotationsmechanismus für das Karussell überflüssig (sofern man nicht eine bewegliche Zugangsöffnung haben will). Alle übrigen Aspekte der Konstruktion sind die gleichen wie die oben beschriebenen.
Außerdem könnte man als eine dritte alternative Ausführungsform auch ein zweites Karussell außerhalb des Karussells anordnen, das in den 14A-14B gezeigt ist, um so mehr Lagerraum zu schaffen. In dieser Ausführungsform könnte sich das innere Karussell so drehen, daß eine vertikale Anordnung und Rotationsausrichtung von Zugangsöffnungen ermöglicht wird, um auf jedes Fach in dem äußeren Karussell zuzugreifen.
Als nächstes werden Details der Bereitstellung eines erweiterten Netzwerksystems aus zusammenwirkenden Gefriereinrichtungen 1501 besprochen, wie am besten in den 15A-15D gezeigt. Die mehreren Lagerkarussells 1520 (oder stationären Lagerregale 1526, 1527 und festen Türme), der Austauschmechanismus 1540 und die Klimaregelkammer 1560 arbeiten mit den im vorliegenden Text beschriebenen Verfahren und Aspekten. Die mehreren Lagerkarussells 1520 (stationären Regale oder festen Türme) arbeiten in einer Umfassung 1502. Die Umfassung 1502 kann vom Ausrüstung beherbergenden Typ sein, wie zuvor besprochen, um eine Gefriereinheit oder mehrere Gefriereinheiten unterzubringen. Alternativ kann die Umfassung 1502 der gesamte Raum oder mehrere Räume sein, wie im US-Patent Nr. 5921102 an Vago offenbart. Die in den 15A-15D gezeigten Konfigurationen sind nur veranschaulichend und sollen nicht erschöpfend sein, da auch andere Kombinationen und Konstruktionen in Betracht gezogen werden. Im Wesentlichen werden die Behälter 1503 zwischen den Lagerkarussells 1520 (einschließlich der stationären Lagerregale 1526, 1527), dem Austauschmechanismus 1540 und der klimageregelten Kammer 1560 mittels der zuvor im vorliegenden Text offenbarten Aspekte und Verfahren ausgetauscht, eingelagert, abgelegt und entnommen, während gleichzeitig in Betracht gezogen wird, daß die Umfassung 1502 ein Raum, ein Ausrüstungsgehäuse oder eine Kombination aus beidem sein kann. Ein Steuerungssystem 1580 ist mit den verschiedenen Komponenten und Teilsystemen wirkverbunden, wobei die Steuerungselemente und der Prozessor lokal oder räumlich abgesetzt angeordnet sind.
Der Austauschmechanismus 1540 wirkt mit mehreren Standorten zusammen, wodurch die Behälter 1503 zwischen Karussells 1520 und stationären Regalen 1526, 1527 und natürlich der klimageregelten Kammer 1560 passieren können. Wie in den 15C-15D gezeigt, ist, um diese Aufgabe zu bewältigen, ein Verschiebemechanismus 1590 vorhanden, um den Austauschmechanismus 1540 zu dem einen oder den mehreren Zielkarussells 1520 oder stationären Regalen 1526, 1527 zu bewegen oder zu verschieben. Es werden verschiedene Mittel in Betracht gezogen, um den Austauschmechanismus 1540 zu verschieben, einschließlich beispielsweise Schienenvorrichtungen, Räder, Transportbänder, Seilscheiben, Hängevorrichtungen, Riemen, Zahnräder oder sonstige Robotervorrichtungen.
Einige Vorteile der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung für Ultratieftemperaturgefriereinrichtungen und des zugehörigen Verfahrens der vorliegenden Erfindung sind, daß sie eine besser organisierte Lagerungs- und Entnahmevorrichtung, weniger Ansammlung von Feuchtigkeit und Eis in dem Kältelagerfach, geringere Temperaturschwankungen infolge einer Probenentnahme und einen schnelleren Direktzugriff auf alle Proben ermöglicht.
Darüber hinaus ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Vorrichtung eigenständig arbeiten kann oder in ein vollständig automatisiertes Labor integriert sein kann. Sie ist skalierbar und kann so an die Bedürfnisse kleiner Laboratorien wie auch großer Institutionen, die große Probenzahlen über lange Zeiträume lagern müssen, angepaßt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die Vorrichtung als eine Einschubeinheit für vorhandene Ultrakaltgefriereinrichtungen konstruiert werden kann, bei der der Großteil des Mechanismus' in der Tür untergebracht ist, so daß er von dem Kühlfach isoliert ist, wodurch sowohl die Anzahl der Tieftemperaturbauelemente als auch die vorzunehmenden Änderungen an der Gefriereinrichtung selbst minimiert werden. Eine verringerte Anzahl beweglicher Komponenten ist dauerhaft der normalen Solltemperatur von etwa –80°C ausgesetzt, wodurch die Produktionskosten verringert werden.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind der verbesserten Probenqualität, den geringeren Betriebskosten und einem verringerten Wartungsaufwand der automatischen Lagerungs- und Entnahmevorrichtung zuzuschreiben.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die klimageregelte Kammer verhindert, daß während des Einlagerns und der Entnahme von Lagerbehältern feuchte Umgebungsluft in das Innere des Kühlfachs eindringt.
Und schließlich ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie das Arbeiten im Ultratieftemperaturbereich automatisiert und eine benutzerfreundliche Informationstechnologie in einer bewährten, zuverlässigen Weise bereitstellt.

Claims

Automatische Lagerungs- und Entnahmevorrichtung (1) zum Lagern von Containern (3) bei ultratiefen Temperaturen, wobei die Vorrichtung umfaßt: ein Kühlfach (10), wobei das Kühlfach (10) eine Seitenwand (11) aufweist; eine Speichereinrichtung (20), die in dem Kühlfach (10) angeordnet ist, um die Container (3) zu halten; eine klimakontrollierte Kammer (60), die an der Seitenwand (10) angeordnet ist; ein Klimasystem (66) zum Steuern des Klimas in der Kammer; einen Austauschmechanismus (40), der eingerichtet ist: in einer Kammeraustauschposition einen Container (3) zwischen dem Austauschmechanismus (40) und der klimakontrollierten Kammer (60) auszutauschen, und in einer Einrichtungs-Austauschposition einen Container (3) zwischen dem Austauschmechanismus (40) und der Speichereinrichtung (20) auszutauschen; wobei die Kammer (60) eingerichtet ist: den Container (3) gegenüber dem Austauschmechanismus (40) zu isolieren, wenn der Container (3) von außen angeordnet oder in das Äußere plaziert wird, und den Container (3) gegenüber dem Äußeren zu isolieren, wenn der Container (3) zwischen der Kammer und dem Austauschmechanismus (40) ausgetauscht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ferner umfaßt: einen Transportschale (63), die verschiebbar in der Kammer montiert ist, um den Container (3) zwischen einer im Äußeren befindlichen äußeren Position und einer inneren Position, die nächstliegend zu dem Austauschmechanismus (40) ist, zu transportieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kammer ferner umfaßt: eine Außentür (62), wobei die Außentür (62) eingerichtet ist, es zu ermöglichen, daß die Container (3) zwischen der Kammer (60) und dem Äußeren ausgetauscht werden, und eine Innentür (61), wobei die Innentür (61) eingerichtet ist, es zu ermöglichen, daß die Container (3) zwischen der Kammer (60) und dem Austauschmechanismus (40) ausgetauscht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die kontrollierte Kammer ferner umfaßt: einen Motor (32), der betrieblich mit der Transportschale (63) verbunden ist, um die Schale (63) zwischen der äußeren Position und der inneren Position sowie jeder Position, die im allgemeinen zwischen diesen liegt, zu verschieben; und der Motor (32) außerhalb des Kühlfachs (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Klimasystem (66) eine Trockengaszuführung umfaßt, um die Kammer zu entfeuchten und die Kammer zu kühlen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kammer (60) eine Schreibevorrichtung umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kammer (60) eine Lesevorrichtung umfaßt, um die Container (3) zu identifizieren, wenn diese in die Kammer eingebracht werden und von dieser entnommen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, das ferner ein Steuersystem umfaßt, wobei das Steuersystem mit der Speichervorrichtung (20), dem Austauschmechanismus (40) und der Kammer betrieblich verbunden ist, um deren Betrieb zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Steuersysteme ferner einen Prozessor zum Verarbeiten von Daten umfaßt, die sich auf die Container (3) beziehen, welche in der Vorrichtung gelagert und aus dieser entnommen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Steuersystem einen Prozessor zum Verarbeiten von Daten umfaßt, die sich auf die Inhalte der Container (3) beziehen, welche in der Vorrichtung gelagert und aus dieser entnommen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner eine Benutzerstation umfaßt, die betrieblich mit der Vorrichtung verbunden ist, wobei die Benutzerstation eine Dateneingabeeinrichtung zum Eingeben von Daten in den Prozessor umfaßt, welche sich auf den Prozessor (3) beziehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Austauschmechanismus (40) umfaßt: einen Greifmechanismus, der die Austauschschale (44) verschiebt, um den Container (3) mit der Speichereinrichtung (20) oder mit der Kammer auszutauschen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Austauschmechanismus (40) ferner umfaßt: eine Austauschschale (40), die eingerichtet ist, den Container (3) aufzubewahren.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Austauschmechanismus (40) ferner umfaßt: eine vertikale Transporteinrichtung (42), die es des Austauschmechanismus (40) ermöglicht, vertikal über eine Vielzahl von diskreten Höhen verschoben zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Austauschmechanismus (40) ferner umfaßt: eine Dreh-Transporteinrichtung, wobei die Dreh-Transporteinrichtung eingerichtet ist, den Austauschmechanismus (40) in eine Vielzahl von diskreten Umfangspositionen zu drehen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Umfangspositionen eine drehungsbezogene Ausrichtung gemäß einer Position umfassen, bei der es dem Austauschmechanismus (40) möglich ist: in der Kammeraustauschposition die gewählten Container (3) mit der klimakontrollierten Kammer auszutauschen; und in der Karussell(20)-Austauschposition die ausgewählten Container (3) mit der Speichereinrichtung (20) auszutauschen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, ferner umfassend: einen Motor (32), der betrieblich mit der Dreh-Tansporteinrichtung verbunden ist, um den Austauschmechanismus (40) in die Vielzahl von diskreten Umfangsorientierungen zu drehen; wobei der Motor (32) außerhalb des Kühlfachs (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die diskreten Höhen diejenigen Höhen umfassen, welche einer Höhe entsprechen, in der es dem Austauschmechanismus (40) möglich ist: in der Kammer-Austauschposition ausgewählte Container (3) mit der klimakontrollierten Kammer auszutauschen; und in der Karussell(20)-Austauschposition die ausgewählten Container (3) mit der Speichereinrichtung (20) auszutauschen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend: einen Motor (32), der betrieblich mit der vertikalen Transporteinrichtung (42) verbunden ist, um den Austauschmechanismus (40) in diskrete Höhen zu verschieben; und wobei der Motor (32) außerhalb des Kühlfachs (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen Motor (32), der betrieblich mit dem Greifmechanismus verbunden ist, um den Greifmechanismus zwischen einer gestreckten Position zur Verwendung während des Austauschs des Containers (3) und einer zurückgezogenen Position im wesentlichen horizontal zu verschieben, während der Container (3) in der nicht-gestreckten Position verbleibt; und der Motor (32) außerhalb des Kühlfachs (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Speichervorrichtung (20) ferner einen kreisförmigen Ring von vertikalen Regalen (23) umfaßt, die umfänglich angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Speichervorrichtung (20) ferner Speicherschalen (28) umfaßt, um eine Vielzahl von Speichercontainern (3) zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Speicherschalen (28) einstellbar montiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Speichereinrichtung (20) ferner eine obere horizontale Deckplatte (29) und eine untere horizontale Trageplatte (30) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Speichereinrichtung (20) drehbar ist, um die vertikalen Regale (23) zu dem Austauschmechanismus (40) auszurichten.
Vorrichtung nach Anspruch 20, ferner umfassend: einen Motor (32), der betrieblich mit der Speichereinrichtung (20) verbunden ist, um die Speichereinrichtung (20) zu drehen; und der Motor (32) außerhalb des Kühlfachs (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Speichereinrichtung (20) ein Speicherkarussell (20) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Speichereinrichtung (20) beweglich ist, um die Speichereinrichtung (20) zu dem Austauschmechanismus (40) auszurichten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Speichereinrichtung (20) stationär ist.
Verfahren zum automatischen Lagern und Entnehmen von Containern (3) in einem Kühlfach (10) bei ultratiefen Temperaturen, wobei das Verfahren umfaßt: Vorsehen einer Speichervorrichtung (20) in dem Kühlfach (10); Vorsehen einer klimakontrollierten Kammer (60); Entnehmen eines eingelagerten Containers (3) aus dem Kühlfach in die klimakontrollierte Kammer (60) hinein, wobei die Kammer (60) gegenüber dem Äußeren isoliert ist; Steuern des Klimas der Kammer (60), während die Kammer (60) für eine vorbestimmte Zeit isoliert ist, während der Container (3) in der Kammer verbleibt; und Vorsehen des Containers (3) zum Abgriff, während die Kammer (60) gegenüber dem Kühlfach (10) isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsehen des Containers (3) das Auswerfen des Containers (3) nach außen zum Abgriff umfaßt.
Verfahren zum automatischen Speichern und Lagern oder zum automatischen Lagern und Entnehmen von Containern (3) in einem Kühlfach (10) einer automatischen Vorrichtung bei ultratiefen Temperaturen, wobei die Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 28 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, wobei die Speichervorrichtung (20) ein Karussell ist.