一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构及其控制方法与流程
本发明属于实验室样品冷冻保存领域，具体涉及一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构及其控制方法。
背景技术：
1、液氮罐冻存盒是一种用于在液氮环境中冻存和保存生物样品的容器，它通常由耐低温材料制成，具有密封性能，能够有效抵御液氮的渗透和挥发，液氮罐冻存盒通常具有多个格子或孔，用于放置冷冻样品，如细胞、细菌、血清和dna等，液氮罐冻存盒在生物科学研究、医学临床和生物医药产业中被广泛应用；
2、目前，现有的用于实验室和样本库的液氮罐内冻存管的放置方式是把冻存管放入冻存盒后放入提桶或直接把冻存管放入提桶，再把提桶放入液氮罐内，整个过程采用人工手动操作，操作过程中需要操作人员佩戴低温防护手套，存入取出位置要人工查找，耗时长，同时还会存在人工错误和冻存管复温的风险，导致样品复活率降低，甚至样品报废，照成不可挽回的损失。
技术实现思路
1、本发明提供一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构与方法，用以解决上述提出的至少一项技术问题。
2、为解决上述技术问题，本发明公开了一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，包括液氮罐体机构、冻存盒移动模组、冻存架槽位模组、冻存架旋转模组、液氮补给模组和控制模组，控制模组与液氮罐体机构、冻存盒移动模组、冻存架槽位模组、冻存架旋转模组和液氮补给模组电连接；
3、液氮罐体机构包括液氮罐模组罐体和罐体盖，冻存盒移动模组设置在罐体盖上，用于对冻存盒进行自动化存取，冻存架旋转模组设置在罐体盖上，冻存架旋转模组输出端与冻存架槽位模组连接，冻存架旋转模组用于控制冻存架槽位模组转动，冻存架槽位模组内设有若干冻存架，冻存架用于储存冻存盒，液氮补给模组设置在液氮罐体机构上，用于对液氮罐模组罐体进行补液；
4、控制模组包括控制触摸屏和电控模组。
5、优选的，罐体盖包括液氮罐外壳和液氮罐内壳，液氮罐外壳与液氮罐模组罐体密封连接，液氮罐内壳安装在液氮罐外壳内，液氮罐外壳上设有液氮罐开口，液氮罐开口内设有液氮罐开口保温体，液氮罐开口上设有液氮罐保温盖；
6、液氮罐模组罐体底部设有液氮罐模组罐体固定支撑结构。
7、优选的，液氮补给模组包括若干液氮加注口、液氮罐传感器安装口、液氮加注控制模组和制冷换热模组，液氮罐传感器安装口用于安装液位传感器、压力传感器和温度传感器，液氮加注控制模组用于进行液氮补给，制冷换热模组用于控制液氮罐模组罐体的内部温度。
8、优选的，还包括液氮供给触发系数计算模块，液氮供给触发系数计算模块用于计算液氮罐模组罐体的实时液氮供给触发系数，控制模组用于基于计算出的液氮罐模组罐体的实时液氮供给触发系数控制液氮补给模组工作：
9、
10、其中，ψ为液氮罐模组罐体的实时液氮供给触发系数，λ1为液面因素对液氮供给触发系数的影响权重系数，e为自然数，取值为2.71，hσ为液氮罐模组罐体内实时液氮液面高度，hmax为液氮罐模组罐体内放置位置最高的冻存盒的放置高度值，λ2为液氮罐模组罐体内液氮的不均匀程度对液氮供给触发系数的影响权重系数，δts为液氮罐模组罐体内实时液氮液面最高点处的温度值，δt0为液氮罐模组罐体的内部基准温度值，液氮罐模组罐体内壁从下到上均匀布置有m个液氮浓度传感器，ck为从下到上第k个液氮浓度传感器的检测值，为液氮罐模组罐体内液氮浓度的不均匀程度；
11、当液氮罐模组罐体的实时液氮供给触发系数大于预设液氮供给触发系数时，控制模组控制液氮补给模组触发启动。
12、优选的，冻存架槽位模组包括冻存架顶板和冻存架底板，冻存架顶板和冻存架底板之间通过两圈支撑柱固定连接，每圈支撑柱包括若干组均匀布置的冻存架支撑柱，内圈两相邻冻存架支撑柱上下滑动连接有内圈冻存架，外圈两相邻冻存架支撑柱上下滑动连接有外圈冻存架，冻存架顶板和冻存架底板之间外圈冻存架外侧设有冻存架机架外壳，冻存架顶板上设有若干冻存架定位槽，内圈冻存架和外圈冻存架顶部均设有若干冻存架定位销，冻存架定位销用于与冻存架定位槽相互配合，冻存架顶板通过冻存架顶板固定法兰与冻存架旋转模组连接，冻存架底板通过冻存架底板固定法兰安装在液氮罐模组罐体固定支撑结构上；
13、内圈冻存架和外圈冻存架内分别设置有若干内圈冻存架存储槽位和外圈冻存架存储槽位，内圈冻存架和外圈冻存架内均设有若干冻存架存储卡位，每个冻存架存储卡位由两对称布置的冻存架承载机构组成。
14、优选的，液氮罐模组罐体固定支撑结构包括底部圆台、若干可伸缩吸盘和若干万向轮，若干可伸缩吸盘和若干万向轮安装在底部圆台底部，底部圆台顶部转动连接有冻存架旋转轴支撑机构，冻存架旋转轴支撑机构与冻存架底板固定法兰固定连接。
15、优选的，冻存架旋转模组包括旋转传动轴绝热机构，旋转传动轴绝热机构固定连接在罐体盖的液氮罐外壳上，旋转传动轴绝热机构内转动连接有旋转传动轴，旋转传动轴一端与度传动机构的输出端连接，度传动机构输入端与减速机输出端连接，减速机输入端连接有冻存架转动电机，旋转传动轴另一端通过传动轴绝热机构与冻存架旋转轴连接，冻存架旋转轴通过冻存架顶板固定法兰与冻存架顶板连接。
16、优选的，冻存盒移动模组包括两对称布置的冻存盒移动模组定位机构，冻存盒移动模组定位机构安装在罐体盖的液氮罐开口内，冻存盒移动模组定位机构上转动连接有移动丝杆，冻存盒移动模组定位机构上移动丝杆下方设有移动导向槽，移动丝杆上螺纹连接有冻存盒移动模组平移机构，冻存盒移动模组平移机构底部滑动连接在移动导向槽内，冻存盒移动模组平移机构上设有冻存盒移动模组平移机构钩板，冻存盒移动模组平移机构钩板用于放置冻存盒，冻存盒内设有冻存管；
17、移动导向槽前侧设有安装架，移动丝杆上固定连接有锥齿轮一，安装架上转动连接有冻存盒移动模组传动轴，冻存盒移动模组传动轴上固定连接有锥齿轮二，锥齿轮二与锥齿轮一相互啮合，冻存盒移动模组传动轴远离锥齿轮二的一端连接有冻存盒移动模组传动轴绝热机构，冻存盒移动模组传动轴绝热机构安装在冻存盒移动模组电机输出端。
18、一种控制方法，包括如下步骤：
19、步骤一：储存冻存盒时，取走罐体盖上的液氮罐保温盖，把待储存的冻存盒放置在冻存盒移动模组的冻存盒移动模组定位机构上；
20、步骤二：冻存架旋转模组的冻存架转动电机受控转动，经减速机、度传动机构、旋转传动轴和冻存架旋转轴后，带动冻存架槽位模组转动，当目标内圈冻存架或外圈冻存架转到液氮罐开口下方时停止转动；
21、步骤三：内圈冻存架或外圈冻存架被提起到目标冻存架存储卡位对准冻存盒移动模组定位机构平面后，冻存盒移动模组受控把冻存盒推入目标冻存架存储卡位，冻存盒被冻存架承载机构承接而脱离冻存盒移动模组平移机构钩板，冻存盒移动模组受控反向移动收回冻存盒移动模组平移机构钩板，内圈冻存架或外圈冻存架受控降低高度，回到液氮罐内，冻存架定位销滑入冻存架定位槽后，盖好液氮罐保温盖，完成冻存盒存入操作；
22、步骤四：取出冻存盒时，取走液氮罐保温盖，目标内圈冻存架或外圈冻存架在冻存架旋转模组的带动下转动至液氮罐开口正下方；
23、步骤五：目标内圈冻存架或外圈冻存架上升使得目标冻存架存储卡位与冻存盒移动模组平移机构钩板位于同一水平面，冻存盒移动模组平移机构带动冻存盒移动模组平移机构钩板向前移动至目标冻存盒下方，之后对应内圈冻存架或外圈冻存架下降适当高度，使得目标冻存盒完全落在冻存盒移动模组平移机构钩板上，之后回收冻存盒移动模组平移机构钩板，并完成冻存盒取出操作后盖好液氮罐保温盖。
24、优选的，还包括控制内圈冻存架或外圈冻存架上升或下降速度，包括如下步骤：
25、s1：计算冻存样品存取过程中的实际冻存温度适应时长：
26、
27、其中，ts为冻存样品存取过程中的实际冻存温度适应时长，ρ为冻存样品中细胞的基准密度，qs为冻存样品的冻存潜热，ti为冻存盒内的冻存样品处于高位时对应环境的温度，to为冻存盒内的冻存样品处于目标冻存架存储卡位的起始高度时该处液氮罐模组罐体的内部温度，a为单个冻存管中冻存样品的换热接触表面积，n为冻存盒内冻存管的数量，w1为冻存样品的导热系数，w2为冻存管的导热系数，r为冻存管的半径值，为冻存样品与环境温度为时的环境间的对流换热系数；
28、s2：计算内圈冻存架或外圈冻存架上升或下降速度：
29、
30、其中，θx为内圈冻存架或外圈冻存架上升或下降速度，h1为冻存盒移动模组定位机构的高度，hx为目标冻存架存储卡位在液氮罐模组罐体内时的起始高度；
31、s3：控制模组基于计算出的内圈冻存架或外圈冻存架上升或下降速度，控制内圈冻存架或外圈冻存架进行上升或下降。
技术特征：
1.一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，其特征在于：包括液氮罐体机构、冻存盒移动模组、冻存架槽位模组、冻存架旋转模组、液氮补给模组和控制模组，控制模组与液氮罐体机构、冻存盒移动模组、冻存架槽位模组、冻存架旋转模组和液氮补给模组电连接；
2.根据权利要求1所述的一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，其特征在于：罐体盖包括液氮罐外壳(15)和液氮罐内壳(16)，液氮罐外壳(15)与液氮罐模组罐体(1)密封连接，液氮罐内壳(16)安装在液氮罐外壳(15)内，液氮罐外壳(15)上设有液氮罐开口(17)，液氮罐开口(17)内设有液氮罐开口保温体(18)，液氮罐开口(17)上设有液氮罐保温盖(41)；
3.根据权利要求1所述的一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，其特征在于：液氮补给模组包括若干液氮加注口(19)、液氮罐传感器安装口(20)、液氮加注控制模组(35)和制冷换热模组(38)，液氮罐传感器安装口(20)用于安装液位传感器、压力传感器和温度传感器，液氮加注控制模组(35)用于进行液氮补给，制冷换热模组(38)用于控制液氮罐模组罐体(1)的内部温度。
4.根据权利要求3所述的一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，其特征在于：还包括液氮供给触发系数计算模块，液氮供给触发系数计算模块用于计算液氮罐模组罐体(1)的实时液氮供给触发系数，控制模组用于基于计算出的液氮罐模组罐体(1)的实时液氮供给触发系数控制液氮补给模组工作：
5.根据权利要求1所述的一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，其特征在于：冻存架槽位模组包括冻存架顶板(12)和冻存架底板(22)，冻存架顶板(12)和冻存架底板(22)之间通过两圈支撑柱固定连接，每圈支撑柱包括若干组均匀布置的冻存架支撑柱(13)，内圈两相邻冻存架支撑柱(13)上下滑动连接有内圈冻存架(9)，外圈两相邻冻存架支撑柱(13)上下滑动连接有外圈冻存架(3)，冻存架顶板(12)和冻存架底板(22)之间外圈冻存架(3)外侧设有冻存架机架外壳(14)，冻存架顶板(12)上设有若干冻存架定位槽(39)，内圈冻存架(9)和外圈冻存架(3)顶部均设有若干冻存架定位销(40)，冻存架定位销(40)用于与冻存架定位槽(39)相互配合，冻存架顶板(12)通过冻存架顶板固定法兰(21)与冻存架旋转模组连接，冻存架底板(22)通过冻存架底板固定法兰(23)安装在液氮罐模组罐体固定支撑结构(37)上；
6.根据权利要求5所述的一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，其特征在于：液氮罐模组罐体固定支撑结构(37)包括底部圆台(370)、若干可伸缩吸盘(371)和若干万向轮(372)，若干可伸缩吸盘(371)和若干万向轮(372)安装在底部圆台(370)底部，底部圆台(370)顶部转动连接有冻存架旋转轴支撑机构(25)，冻存架旋转轴支撑机构(25)与冻存架底板固定法兰(23)固定连接。
7.根据权利要求5所述的一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，其特征在于：冻存架旋转模组包括旋转传动轴绝热机构(26)，旋转传动轴绝热机构(26)固定连接在罐体盖的液氮罐外壳(15)上，旋转传动轴绝热机构(26)内转动连接有旋转传动轴(6)，旋转传动轴(6)一端与90度传动机构(5)的输出端连接，90度传动机构(5)输入端与减速机(36)输出端连接，减速机(36)输入端连接有冻存架转动电机(4)，旋转传动轴(6)另一端通过传动轴绝热机构(7)与冻存架旋转轴(24)连接，冻存架旋转轴(24)通过冻存架顶板固定法兰(21)与冻存架顶板(12)连接。
8.根据权利要求5所述的一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构，其特征在于：冻存盒移动模组包括两对称布置的冻存盒移动模组定位机构(34)，冻存盒移动模组定位机构(34)安装在罐体盖的液氮罐开口(17)内，冻存盒移动模组定位机构(34)上转动连接有移动丝杆(340)，冻存盒移动模组定位机构(34)上移动丝杆(340)下方设有移动导向槽(341)，移动丝杆(340)上螺纹连接有冻存盒移动模组平移机构(29)，冻存盒移动模组平移机构(29)底部滑动连接在移动导向槽(341)内，冻存盒移动模组平移机构(29)上设有冻存盒移动模组平移机构钩板(33)，冻存盒移动模组平移机构钩板(33)用于放置冻存盒(2)，冻存盒(2)内设有冻存管(32)；
9.一种控制方法，用于控制如权利要求1-8任一项所述的用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构进行冻存盒的存取，其特征在于：包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种控制方法，其特征在于：还包括控制内圈冻存架(9)或外圈冻存架(3)上升或下降速度，包括如下步骤：
技术总结
本发明提供了一种用于液氮罐冻存盒的自动化存取结构及其控制方法，涉及实验室样品冷冻保存技术领域，包括液氮罐体机构、冻存盒移动模组、冻存架槽位模组、冻存架旋转模组、液氮补给模组和控制模组，控制模组与液氮罐体机构、冻存盒移动模组、冻存架槽位模组、冻存架旋转模组和液氮补给模组电连接；液氮罐体机构包括液氮罐模组罐体和罐体盖。本发明采用实现了冻存盒的机械化存取，解决了现有技术整个冻存过程采用人工手动操作，操作过程中需要操作人员佩戴低温防护手套，存入取出位置要人工查找，耗时长，同时还会存在人工错误和冻存管复温的风险，导致样品复活率降低，甚至样品报废，照成不可挽回的损失的技术问题。
技术研发人员：韩雨卿,黄永华,许蜜蝶,陈福胜,杨玉朝,余忍,张振华
受保护的技术使用者：上海艾尔温生命科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23