CN105492819A - 使用氮气的低温工作站 - Google Patents

Abstract

提供了一种低温装置，其中使用液氮维持可控制样品的超低温。

Description

使用氮气的低温工作站

技术领域

本发明涉及用于需要低操作温度的手动和自动程序的开顶式工作站，以及用于制备和使用所述工作站的方法。

相关申请

该专利申请要求以下临时申请中每一个的优先权：No.61/830,354(2013年6月3日提交)；No.61/860,801(2013年7月31日提交)；No.61/873,298(2013年9月3日提交)；No.61/879,624(2013年9月18日提交)；以及No.61/890,036(2013年10月11日提交)。这些专利申请中每一个的全部内容均以引用方式出于所有目的并入本文。

背景技术

为了最佳结果，许多工业、商业和研究方法要求将物体或材料保持在低温下。例如，低温下的低温保存或维持是确保试样和产品的分子完整性的常用手段。在较高温度下在相对短时间间隔内可降解的物质可以在低于所述物质的冰点的温度下储存较长持续时间而具有有限变化或无变化。虽然冷冻储存可有效减小样品降解的速率，但在含水溶液和生物试样中，分子活动直至温度接近-130℃才停止。在高于该点的温度下，试样仍然具有重新排序立体结构的机会，从而形成可能导致样品完整性下降的试样变化。这种类型的样品损坏的实例包括，在解冻时，低温储存的细胞的活力降低、酶活性降低、以及药物效力降低。

冷冻试样的有害变化的几率在样品经历温度的瞬时波动的条件下大大增加，温度的瞬时波动诸如当储存材料从一个低温储存***转移到另一个时，或者当保持在经历温度突增的储存***内部时可能发生，温度突增如在冷冻室门打开用于正常访问、在电源故障的时间间隔期间、或甚至随时间推移在正常机械制冷温度循环期间所引起的那些。

虽然具有防止样品中温度突增和波动的需要，但仍然需要对正常冷冻储存***外部的样品的大量操作。例如，细胞瓶可能需要重新组织、编目、或追踪，需要暴露于较高温度下数分钟至一个半小时或更长的时间段。对于冷冻储存外部的延长操作时间的其它要求包括制备用于海运或本地运输的样品；试销样品的接收、管理和储存；以及冷冻制品的包装和贴标。

发明内容

本发明提供装置，所述装置为容器，所述容器可将重于空气的气体(通常为冷气体)保持在井中，或装置的“腔室”中，其中腔室深度的大部分(从装置的底面到腔室的顶部，底面上放置样品或“物体”)在或低于期望的温度界限，并且其中可通过容器的开口顶部(腔室的顶部)进行温敏物体的操纵和操作，同时将物体温度维持在指定温度范围内。在一个实施方式中，本发明的装置是具有由绝热材料构成的一个(如果形状为圆形)或多个(即形状为矩形或方形)侧面和底部的容器，其包括其中可包含致密冷气体的气密井或腔室。

在一个实施例中，包含的气体为氮气，并且通过使安装在腔室内壁的开口罐(例如金属罐)内所包含的液氮沸腾而使包含的气体温度保持在期望范围内。所述罐以一定方式来构造：使得氮蒸气流出物直接排放到腔室中，从而混合腔室气体并增加较热腔室气体暴露于锅炉的暴露表面的速率，导致容纳感兴趣的样品的腔室部分(从底面到底面上方足够的高度以确保样品完全包含在重于空气的气体中)中的更均匀且更低的气体温度。

本发明还提供使用装置以操作冷库中的样品的方法以及装置的附加实施方式，所述装置用于维持并监测罐内液氮含量或腔室内其它冷却剂的量以及收集腔室气体温度数据用于确保工作体积的温度达标。

本发明的一些实施方案还包括具有磁性安装***的可移除激光架。所述安装***包括当激光架与传感器线束耦合时将电流输送至激光二极管的兼容电端子或触头。所述安装***包括可永久性耦合至线束的线束接头。在线束中提供开口，并且电导线延伸出所述开口并通过线束接头。还提供安装板，所述安装板具有注意导线的极性而附接到导线的电端子。安装板经由扣件附接到线束接头。安装板的电端子在与线束接头相对的所述板侧面上向外突出。激光架还包括用于容纳安装板的凹槽。所述凹槽包括与安装板的电导线对齐的附加电导线。在一些情况下，安装板和凹槽还包括互补磁体，由此安装板暂时或选择性地经由磁性界面与凹槽耦合。

在一些实施方式中，激光架可包含两个激光二极管。激光架的电端子经由电导线可操作性地连接至激光二极管。当安装板耦合或设置到激光架的凹槽中时，电流经由电端子和相应导线之间的界面输送至激光二极管。当需要时，可通过分离安装板和激光架之间的磁性连接将激光架从线束中简单移除。安装板和凹槽之间的配合确保了容器腔室内的激光二极管的正确的可重复对齐。

在一个方面，本发明提供了一种容器，所述容器包括形成内部腔室的一个或多个侧面和具有开顶式表面的底面，其中液密金属罐安装在内侧壁上或紧邻内侧壁安装，所述液密金属罐包括在罐的顶部表面处能够将气体直接排放入腔室中的至少一个开口。在一些实施方式中，容器包含具有小于0.2瓦每米开尔文的热导率的材料。在一些实施方式中，材料包含交联的聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫或聚合物共混物泡沫。在一些实施方式中，罐金属由以下材料组成或包含以下材料：钢、不锈钢、铜、铜合金、铝或铝合金。在一些实施方式中，罐包括边缘突起以限制罐内容物溢出。在一些实施方式中，罐包括一个或多个液体填充端口、液体流量控制机构、传感器安装件和传感器外壳。在一些实施方式中，装置包括液位传感器或温度传感器或上述两者。

在一些实施方式中，装置包括可在例如不工作的阶段降低温度和液氮使用的盖子或盖。

在一些实施方式中，装置附接到管道、管子或重力滑槽以将液体引导入罐中。在一些实施方式中，装置附接或可操作地连接至接收来自液位传感器或温度传感器或上述两者的电信号的微处理器，并且将电信号输送至液体输送调节器。

在一些实施方式中，腔室包括一个或多个温度传感器以监测内部气体温度。在一些实施方式中，温度传感器为热电偶或RTD传感器。

在一些实施方式中，附接的外部液体制冷剂贮存器通过电流来加压，所述电流通过浸没在液体中的电阻线圈，或者其中液体制冷剂通过机械泵的作用移动。在一些实施方式中，液氮输送***包括有盖重力滑槽。

在一些实施方式中，所述罐定位在内部腔室中，使得罐开口的最低边不低于内部腔室高度的百分之七十五。在一些实施方式中，所述罐定位在内部腔室中，使得罐开口的最低边不低于内部腔室高度的百分之五十。在一些实施方式中，所述罐定位在内部腔室中，使得罐开口的最低边不低于内部腔室高度的百分之八十。在一些实施方式中，所述罐定位在内部腔室中，使得罐开口的最低边不低于内部腔室高度的百分之六十。在一些实施方式中，所述罐具有一个或多个水平顶部边缘，由此从罐中溢出的冷气体将均匀向下落到水平边缘下方的罐表面。在一些实施方式中，所述罐由长尺寸构成，所述长尺寸大于上面固定有所述罐的腔室壁的长度的百分之五十。在一些实施方式中，罐内部包括可抑制或限制管内部的液体移动的可移除或永久附接的挡板、筛网或多孔材料。

在一个方面，***包括如上文所述的装置，以及激光安装***。在一个方面，本发明提供激光安装***，其包括：激光架，所述激光架包括电连接至第一电端子的激光二极管，并且还包括第一磁体；安装板，所述安装板包括第二电端子和第二磁体，所述第二电端子和第二电磁体定位成当激光架与安装板耦合时与第一电端子和第一磁体对齐；线束接头，其具有用于容纳传感器线束的外表面的第一表面和用于容纳安装板的相对表面，所述线束接头***线束和安装板之间；以及耦合至第二电端子的导线。在一些实施方式中，激光架包括成对的激光二极管。

在一个实施方式中，激光架的前表面包括平面，并且其中前表面的侧角边缘相对于所述前表面的平面向内成在10°-50°范围内，任选为约30°的角度，其中激光二极管的中心轴线相对于前表面的平面成约30°的角度。

在一个实施方式中，激光架包括定位在前表面的第一拐角上的第一激光二极管，和定位在前表面的第二拐角上的第二激光二极管，其中所述第一拐角与前表面上的第二拐角相对。在一个实施方式中，第一激光二极管的中心轴线和第二激光二极管的中心轴线之间的角度在20°-100°的范围内，任选地为约60°。

在一个实施方式中，激光架从安装板中选择性地移除。在一个实施方式中，线束接头永久性附接至线束。在一个实施方式中，安装板经由扣件可移除地耦合至线束接头。在一个实施方式中，激光安装***包括介于安装板和激光架之间的磁性界面。在一个实施方式中，激光安装***包括介于安装板和激光架之间的键连接。

在一个方面，本发明提供了一种用于形成具有填充有低温气体的开顶式腔室的容器的方法，其中所述气体的一部分处于低于-80摄氏度的温度，所述方法包括蒸发固定到容器壁的金属罐内的液氮，并且将氮蒸气直接排放到容器腔室中。

在一些实施方式中，容器腔室气体温度通过控制罐内包含的制冷剂含量来调节。在一些实施方式中，氮蒸气以一定方式排出，使得所述容器腔体内的气体以相对于使用放置在所述腔室底面上的盘内所包含的液氮而获得的速率增加的速率混合。在一些实施方式中，所述腔室内的气体温度的均匀度通过金属罐中气体流出物的混合效果来增加。

在一些实施方式中，腔室气体温度通过控制罐内包含的制冷剂含量来调节。

在一些实施方式中，氮蒸气以一定方式排放出，使得所述容器腔体内的气体以相对于使用相同罐内在其置于所述腔室底面上时所包含的液氮所获得的速率增加的速率混合。

在一些实施方式中，腔室内的气体温度的均匀度通过金属罐中气体流出物的混合效果来增加。

在一些实施方式中，腔室温度处于与相同罐在置于所述腔室底面上时相比降低的温度下。

在一些实施方式中，锅炉中的气流增加较热腔体气体对液氮表面的暴露。

在一些实施方式中，相对于使用相同罐内在置于所述腔室底面上时所包含的液氮而获得的清晰度，所述腔室内的工作空间的视觉清晰度通过由从所述腔室边溢出的腔室腔体内的气体喷射经气体悬浮的凝固水蒸气而改善。

在一些实施方式中，暴露于腔室的气体含量通过从锅炉落入引力场中的气体流出物的动量来增加。

在一个方面，本发明提供通过移除一个或多个侧壁的一部分并接合容器以形成连续内部腔室来形成扩展的开顶式腔室的方法，其中液密金属罐安装在内侧壁上或紧邻内侧壁安装，所述液密金属罐包括在罐顶部表面处能够将气体直接排放到腔室中的至少一个开口。

附图说明

为了容易理解获得本发明的上述和其它特征结构以及优点的方式，将参考附图中解释说明的其具体实施方式来对上文简单描述的本发明进行更具体说明。这些附图仅示出本发明的典型实施方式并且因此不认为是对本发明范围的限制。

图1示出了本发明装置的实施方式的线条图，其示出装置的外部组件。

图2示出图1中所示装置的截面图，其揭示装置的内部特征结构。

图3示出用于本发明装置中的液氮气体循环锅炉的线条图。

图4示出了图3中所示装置的截面图。

图5示出了在两种操作条件下，在图1和2中所示装置的实施方式的腔室内的不同深度处的内部气体温度的时间图，一种条件是其中液氮包含在腔室底面上的盘中，并且另一种条件是其中液氮包含在如图2、3和4中所示安装在腔室壁的气体循环贮存器中。在两组条件下的内部气体温度的测量值展示气体循环贮存器在降低腔室内的温度同时增加气体温度均匀性方面的效果。

图6A示出了液氮锅炉的第二实施方式。

图6B示出了图6A中所示装置的示例性尺寸。

图7示出了本发明的液氮锅炉的第三实施方式。

图8示出图7中所示装置的示例性尺寸。

图9示出在图7和8中所示设计的液氮锅炉上操作的、在图1和2中所示装置容器的一个实施方式的腔室内的不同深度处，内部气体温度的时间图。使用液氮输送***的手动控制和来自液氮液位观察的反馈以及腔室气体温度数据，可迅速建立液氮再填充循环，所述液氮再填充循环可将腔室温度保持在约-80至-60摄氏度的20摄氏度范围内。

图10示出了适用于由两个并排工作的个体同时使用的本发明装置的一个实施方式，如可用于两步法。所述装置通过主动调节锅炉罐内的液氮含量而将开放腔体温度保持在指定范围。所述图示出用于氮气锅炉的液位传感器的位置以及向气体腔室提供高度调节能力的大气压液氮输送***的实施方式。

图11示出了图10中所示液氮输送***的截面视图。

图12示出了与本发明的液氮锅炉一起使用的本发明液位传感器的实施方式。

图13示出了设计成包含和冷却托盘式容器的堆叠物的本发明的一个实施方式的截面视图。

图14A示出了用于使用低温装置的工艺流程布置图。

图14B示出了与专用装备车组合使用的装置。

图15C-D示出可用于制备过程的槽构造，所述制备过程在保留超冷环境中的制备步骤的同时，需要多个步骤。[A]直线槽构造；[B]蛇形槽构造；[C]闭环构造，其示出可以模块化样式制备并组装的容器外壳；[D]“部分覆盖的”实施方式。

图16示出了本发明实施方式的截面视图，其包括液氮冷却***和温度传感器以及激光边界指示器线束。

图17示出了可从本发明的装置接收和发送的信号连接的示例性实施方式。

图18示出了液氮输送和流量调节***的实施方式。

图19提供了根据本发明的代表性实施方式，经由安装板和线束接头选择性耦合至线束的激光架的透视图。

图20提供了根据本发明的代表性实施方式，与线束脱离的激光架的透视图，其中安装板和线束接头保持耦合至线束。

图21提供根据本发明的代表性实施方式的激光安装***的分解图。

图22是根据本发明的代表性实施方式的激光安装***的截面视图。

图23是根据本发明的代表性实施方式，激光架线束和接头的截面视图，其示出通过调节调平螺丝可获得的激光架的倾斜自由度。

图24是根据本发明的代表性实施方式，安装板和激光架的详细后透视图。

图25是根据本发明的代表性实施方式，示出用于激光模块电源的电通路的三维透视图。

具体实施方式

本发明提供开放式容器***，其包括冷气体井室，其中出于制造温敏材料的目的可维持相当于冷冻室内部温度的温度。在此类开放***中，无渗漏隔热容器保持冷气体，因为相比于较热环境气体温度，冷气体的较大密度限制通过容器边缘的移动。虽然在操作期间包含的气体的温度可升高并且密度可减小，从而使得气体具有逸出的机会，但通过容器的隔热壁和底面进入容器***并且主要通过大气和冷气体界面的环境热可通过腔室内相变材料诸如液氮的蒸发潜热被***吸收。

本发明提供相比于机械制冷***的显著优点，因为为了在开放***中保持-130℃至-80℃范围内的低温而置于机械制冷***上的热负荷使其对于该应用持续延长工作时间段而言不实用。当以适当供应速率引入腔室中时，相变材料可具有足够的潜热吸收能力以维持必要的温度范围。在大气压下具有-196℃沸腾温度的液氮具有将开放***容器保持在约-150℃和更高范围内的能力。

相变材料在被用作开放***冷却剂时存在限制，所述限制对于在直接置于腔室的底表面上或靠近腔室底表面放置时所需的温度范围和可用的工作空间而言是有问题的。因为热从开口顶部进入***，温度梯度在容器边缘处的环境温度和容器内部的相变材料温度之间形成。所述温度梯度会将容器体积的主要区域置于期望的程序所必要的温度范围之外。例如，如果储存在-80℃机械冷冻室中的样品需要在返回储存之前编目并分拣到不同容器中，则将需要小于-80℃的工作温度区以防止样品的温度升高。温度梯度会另外将样品的一部分置于期望的温度范围以上，从而使样品经受不合格条件。

本发明的装置克服了此类问题并提供了一种开放式***，所述开放式***可用于操作冷冻状态下的材料同时使其维持在所述冷冻状态，但使得进行此类操作的人或设备处于较热环境。在各种实施方式中，所述装置是可移动的。

在低温(-130℃至-80℃)下以冷冻状态储存的材料常常需要附加操作，诸如分拣、盘存、转移、装箱、贴标、编目和位置确认。此类操作通常需要时间间隔、空间体积和进入取向，其禁止这些操作在冷藏室内进行。就此类操作而言，其中内部温度在或低于长期储存温度的开顶式容器适用于样品完整性的最佳保留。运行该性质的容器尺寸可在例如但不限于长度为5英寸至96英寸，宽度为5英寸至36英寸，并且深度为5英寸至24英寸的区域的范围内。

就大多数目的而言，形成在-130℃至-80℃范围内的冷气体的开口和便携式井，除了由延长的工作周期所需的***物理尺寸和质量所赋予的限制之外，还排除了机械制冷***的使用，因为由于功率要求，热通量的程度超过此类***的容量。相变材料(诸如液氮)允许使用开环制冷***，其中热能在远程位点处(例如空气液化厂)在宽松的时间范围内从制冷剂中除去，并且在稍后的时间，变热的制冷剂(氮气)从***中排出到大气中，而不是如常规制冷***所进行的那样返回到冷凝器中。因此，非常集中的冷却能力可施用于相对小的体积而不需要局部机械元件。其中液氮从液体到气体状态的相变在腔室内部进行的***是最有效的设计，因为蒸发的潜热的热吸收能力将为热能从周围环境的流入提供优异的散热器。因此，在本发明装置的一个实施方式中，工作室内部的独立的液氮罐或池提供还可满足***移动性要求的简单且实用的解决方案。

虽然位于腔室底面上的液氮容器是在平衡操作条件下在较浅深度内将温度保持在期望范围内的有效构件，但建立了在紧靠腔室边上方的环境温度延伸到容器底面温度之间的温度梯度。所述温度梯度可将腔室体积的主要部分置于在指定上限之外的温度范围内。此外，随着液氮被消耗，在腔室内部任何给定平面处的温度相应上升，从而还可将腔室内部的材料暴露于高于规定范围的温度。

虽然开顶式制冷***中的冷气体的主动混合可使腔室中的气体温度均化，但与气体的主动混合相关联的湍流将在容器表面处将环境气体带入混合物中，从而将环境热和环境水蒸气引入冷腔室中。本发明包括呈线性锅炉形式的液氮膨胀***，其将气体氮以一定方式排放到工作室中，所述方式提供受控、对称、直接和温和的混合作用以均化并降低腔室气体温度，同时从腔室产生气体保护流出物，从而降低环境温度和到工作腔室的水蒸气侵入量两者。

腔室气体和氮气蒸气的温和混合还用于增加腔室气体暴露于锅炉外部的速率，从而使得液氮更有效地吸收热，导致腔室气体温度的降低。

在一些实施方式中，安装至腔室壁的罐侧面(后罐壁)升高至高于前罐壁的高度以对已经被组件的侧向移动所扰乱的液氮提供阻隔和返回路径，并提供待用于安装目的的罐区域。(参见图2、3和4)。在一些实施方式中，罐的升高的后壁用于安装罐的保护盖，所述保护盖出于安全性，防止手和手指不适当的放入锅炉内部。因为来自锅炉的无限制氮流出物对于锅炉的正常功能是至关重要的，因此保护盖将悬浮于前边缘的上方以便不限制气体流动，也不增大气体离开速度。

通过与大气层的相互作用，在腔室的边缘平面处向后流动的上腔室区中的气体将处于比腔室内的气体的剩余部分更热的温度和更低的密度。在气体接触线性锅炉的表面时，热能将通过贮存器壁从气体转移至液氮，从而冷却腔室气体并增大气体密度。较低密度的气体将向下落，置换腔室气体并促进腔室气体的慢循环。在液氮吸收热能时，液体将相变成气体，所述气体处于腔室内的最低气体温度。在冷且致密的气体从贮存器的前部边缘溢出时，高密度气体将与腔室气体混合，流动通过锅炉外部表面并通过锅炉壁将热能转移至液氮，然后大量落到腔室底面，从而促进腔室气体循环。这种持续气体循环模式混合腔室气体，从而产生更均匀的温度同时降低了整体气体温度。因为与锅炉罐内部的液氮相直接相邻的锅炉罐的外表面的温度接近液氮的大气压相变温度，因此在该区域中的罐外表面将是与工作腔室的内部气体热交换的最大区域。锅炉内的液体体积越大，在或接近-196℃的液氮相变温度的罐的表面积越大，并且由于增加的热交换，腔室内的气体温度越低。当下图2-4、6A、6B、7和8中所述的本发明的锅炉被填充至接近最大容量时，图1和2中所述的装置的腔室内的腔室温度可达到低于-130℃的温度。虽然多种应用可从处于最低可能范围内的工作腔室温度中获得最大有益效果，但对于其它应用而言，可能需要有限的温度范围。例如，多种具有合成盖密封件的药物容器会在低于额定极限的温度下发生故障，同时小瓶内容物不能在不降解的情况下暴露于高于设定范围的温度。对于此类应用，液氮锅炉的制冷能力必须在主动监管控制下。因为工作腔室的温度是与直接接触罐内部中液氮相的内部锅炉表面区域直接相对的锅炉罐外表面区域的大小的函数，因此可通过调节罐内的液氮体积来调节和控制腔室气体温度。因此，通过控制锅炉罐内的液氮含量，可控制腔室气体温度。在一些实施方式中，锅炉罐液氮含量通过微处理器主动调节。在一些实施方式中，微处理器接收来自传感器的液位信号，并且基于液位数据调节锅炉罐内的液位。在一些实施方式中，微处理器基于指示腔室气体温度的测温数据来调节液氮含量，然而在其它实施方式中，微处理器基于腔室气体温度和液氮含量两者来调节液氮含量。

在一些实施方式中，液氮锅炉罐配备有浮子液位传感器，然而在其它实施方式中，液位传感器包括电容传感器、超声波传感器、或热传感器。

在一些实施方式中，气体腔室温度通过单个传感器来监控，然而在其它实施方式中，气体腔室温度通过多个传感器来监控。

在一些实施方式中，将液氮手动输送至锅炉罐，然而在其它实施方式中，通过自动输送***，将液氮引入锅炉罐中。在一些实施方式中，通过管道、软管或重力滑槽***从加压容器输送液氮进料，然而在其它实施方式中，通过泵送机构和重力进料的组合来输送液氮。

因为腔室温度与锅炉罐的表面面积函数相关，所以通过将罐耦合至具有高热导率的材料的构件增加罐的表面积将影响与腔室气体的热交换率，并因此影响腔室气体的温度。增加与锅炉罐热接触的导热材料的表面面积将增加与腔室气体热交换的效率，从而进一步降低腔室温度。因此，在一些实施方式中，将罐安装至热交换器，诸如但不限于包括具有一排翅片突起的金属板。

由于腔室气体和邻近罐内部液相的罐表面之间的较大热交换率，因此线性锅炉罐的横截面几何形状将对在一定填充含量范围内的锅炉性能具有影响。例如，在操作条件下，具有较大高度对宽度比的矩形截面锅炉将比具有相同横截面积和较低高度对宽度比的矩形锅炉经历更快速的氮液位下降，随液体高度更快速变化的温度，以及更大的动态温度操作范围。在极端情况下，高且窄的矩形截面罐将具有良好的动态温度范围但具有液位的快速下降并伴随腔室温度随时间推移而增加的速率，然而具有宽且短的横截面的罐将经历相对慢的液位下降和腔室温度随时间推移的少量增加，但将具有相对差的动态范围。因为热量流入腔室的速率将与环境温度和较低室温之间的温度差成正比，因此在较低温度下操作腔室将需要较大的液氮相转化率，因此将以比较高操作温度下更大的速率消耗制冷剂。因为邻近内部液体制冷剂的锅炉的外表面面积随制冷剂的深度而增加并且邻近液体制冷剂的较大外表面面积与热交换率成正比，因此对于腔室温度，锅炉中的制冷剂含量越大，相转化率越大。为将腔室温度保持在恒定设定值，可将锅炉内的制冷剂深度维持在适当水平。因此，在热流入速率不变的前提下，以等于消耗速率的速率将液氮引入锅炉中将提供稳定的腔室内温度。锅炉深度的调节可通过各种填充模式来实现，诸如：(i)在一些实施方式中，借助于调节恒压液氮供料管线的比例阀实现进入锅炉中的恒定液氮流率。在一些实施方式中，通过调节的加压贮存器来提供液氮的恒压进料，然而在其它实施方式中，借助于在供料管线上形成恒定压头压力的泵送***来提供恒压液氮进料。(ii)替代地，腔室可保持在指定的温度范围，通过所述指定温度范围，即时温度在常规循环内波动。温度循环条件可通过将锅炉间歇填充至指定液位，之后中断液氮流并在锅炉内的液氮液位处于最小指定液位时进行重复填充循环来实现。因此，在一些实施方式中，液氮流通过打开和关闭非比例阀门(诸如但不限于电磁制动阀)来调节。当以第二填充模式操作时，可通过增加填充循环的频率减小循环温度值的范围。为减少对第二模式中频繁阀致动的要求，期望锅炉内的液氮液位尽可能少地随制冷剂消耗而变化。该条件要求可通过具有较大宽度的锅炉横截面来满足，然而因为矩形横截面锅炉的较大宽度也限制可由锅炉实现的动态温度范围，所以锅炉的最佳横截面可以为其中锅炉的宽度随深度增加的楔形。在本发明的一些实施方式中，罐横截面轮廓仅包括楔形或三角形元件，然而在其它实施方式中，横截面为楔形或三角形元件结合如图8中所示矩形元件的组合。

在一些实施方式中，罐通过除直接附接到腔室壁之外的方式升高，诸如通过支撑装置。在一些实施方式中，支撑装置将罐保持在固定高度，然而在其他实施方式中，支撑装置可向罐提供可变高度。

在一些实施方式中，腔室内包含单个罐，然而在其它实施方式中，腔室内包含多个罐。在一些实施方式中，多个罐安装或定位在单个壁上，然而在其它实施方式中，罐安装或定位在多于一个的容器壁上。

在一些实施方式中，罐的前壁在顶部边缘处向后突出以辅助液氮返回到罐中，防止在组件被移动的条件下溢出到腔室中，并且向锅炉提供结构刚度。在其它实施方式中，罐包括在管的上侧边缘上的水平凸缘从而既抑制在组件移动情况下的溢出又支撑附加的罐配件。

在一些实施方式中，罐配件包括填充端口和漏斗以将液氮引入罐中。在其它实施方式中，罐配件包括液位传感器安装件和保护件。在其它实施方式中，罐配件包括挡板和其它障碍物以引导湍流流体流，从而防止或减少液氮的晃动和溢出。在其它实施方式中，出于形成对手或手指意外***液氮中的阻隔的目的，挡板包括水平凸缘。

在一些实施方式中，罐包括金属。在各种实施方式中，金属为或包括，例如但不限于，钢、不锈钢、铝、铝合金、铜或铜合金。

在本发明的装置中，气体腔室包括形成气密井的一个或多个壁和底部或“底面”。在各种实施方式中，腔室壁和底部由热导率低于0.2瓦每米开尔文的隔热材料组成或包含所述材料(诸如在一个层中)。在一些实施方式中，隔热材料为交联的聚乙烯泡沫。在一些实施方式中，隔热材料为聚氨酯泡沫、塑料覆盖的聚氨酯泡沫、苯乙烯泡沫、塑料覆盖的苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫或共混的聚合物泡沫(包括前述材料中任一种的共混物以及剥去塑料的共混物)。在一些实施方式中，气体腔室由一种材料的内外壳构成，其中在内外壳之间的内部填充物包含一种或多种上述材料。在一些实施方式中，壳材料包含泡沫材料，然而在其它实施方式中，壳材料为固体材料。

在一些实施方式中，装置包括安装在整个腔室内部的一个或多个位置处的热传感器。在一些实施方式中，热传感器为热电偶传感器，然而在其它实施方式中，热传感器为RTD传感器。

在一些实施方式中，气体容器包括盖以在非工作阶段降低温度和减少液氮的使用。在其它实施方式中，气体容器具有后台板以热屏蔽和/或支撑仪表板、电路板、干燥风扇、灯、填充端口、数据和功率连接、温度传感器电子器件、和数据记录仪。

在一些实施方式中，电子控制元件被隔离在附接到后部外表面的外部壳体中，然而在其它实施方式中，电子控制元件容纳于远离隔热气体容器的壳体内。

当将正沸腾的液氮用于罐中时，容器的冷却区中所维持的温度范围一般将在-196℃(在大气压下液氮的沸腾温度)和更高范围内，其中典型的性能范围为-150℃至-80℃(或更高)。“冷却区”是其中待维持在冷却状态下的样品或物体在操作期间被保持的容器区域。在一些实施方式中，该冷却区通过使用线或着色来识别以将其从容器的上部区域中划出，所述上部区域可以在期望的温度范围之外。在其它的实施方式中，冷却区范围通过水平激光束扇形投影来识别。冷却区的尺寸将取决于腔室的尺寸、液氮锅炉罐的尺寸、液氮锅炉罐的底部和相对于腔室底面的其上部开口之间的距离、以及罐中液氮(或其它冷却剂)的量。在一些实施方式中，安装扇形激光束以投射定位腔室的上部工作范围的位置的水平面指示。

在一个方面，可将腔室温度调节至预定温度范围内的温度。例如可将在底面和顶部腔室开口之间一半高度处的腔室底面的几何中心处所测得的腔室温度调节至预定温度范围内的温度。在该特定环境下，腔室开口可以是指在此类盖处于适当位置时被腔室盖阻挡的开口。不受限制，在各种实施方式中，温度范围以摄氏度为单位可以为，-180至-50、-100至-50、-80至-60或-80至-50。

虽然对于许多应用而言液氮将为用于罐中的冷却剂，但可将其它冷却剂用于特定应用。一般来讲，冷却剂将为液体或固体，其产生比大气更致密的气体(其可以为空气但可以为任何气体或其组合并且其可以处于正常大气压下，而且可以处于较高压力或较低压强下)，其中样品或物体被保持。在一些实施方式中，可使用其它冷却剂，诸如但不限于液态空气、和沸点为-186℃的液态氩气，其可用于形成惰性气氛。在一些实施方式中，可使用分子量比氮气、氧气或氩气高的气体，诸如六氟化硫，以填充腔室的一部分。在此类应用中，冷氮气可在致密填料气体之上形成层，从而降低界面下方的气体层的温度并反转界面下方的气体层中的温度梯度。

除了锅炉设计的腔室气体循环特性之外，氮气释放至腔体内部具有增强腔室内的可见度的附加优点。大气气体包含一定百分比的水蒸气，所述水蒸气在与冷表面或气体接触时将冷凝，并且如果与零摄氏度以下的表面或气体接触则将沉淀为固体。在具有零摄氏度以下温度的表面上，可观察到固体沉淀为霜生长层。随时间推移，这种冰晶的霜层的厚度可变大。然而，在与冷气体层接触时，大气水分将作为细结晶尘沉淀，所述细结晶尘将落入重力场中并作为冰尘层在下方表面上积聚。该层随时间可累积深度并变得对于许多方法而言是有问题的。在本发明中，在氮液体经历相变成气体时，其大约膨胀七百倍，从而形成从容器边缘溢出的冷气体的恒定流出物。气体在表面处的侧向运动用于在结晶水冷凝物具有沉降到腔室底面的机会之前，冲洗在容器侧面上方的所述结晶水冷凝物，从而显著减小悬浮的晶体密度以及冰尘在腔室底面上的累积速率。因为悬浮的冰晶散射光并存在视觉障碍，因此悬浮晶体密度的减小用于极大地增强腔室内的可视性。

可针对图1和2中所示实施方式估计本发明的冰晶尘屏蔽能力。所述实施方式具有67升的内部体积。在测量的液氮消耗速率为50立方厘米每分钟，液氮转换成气相时的膨胀率为696的情况下，每分钟34,800立方厘米体积的氮气逸出腔室。在2787平方厘米的腔室表面积的情况下，氮气释放相当于以12.5厘米每分钟或4.9英寸每分钟的速率上升的气体立柱。以该速率上涌的氮气用于有效地冲洗冰晶尘悬浮物，所述冰晶尘悬浮物在大气气体-氮气界面处形成，从而提供增强的可视性和显著减少冰晶尘积聚的双重有益效果。冰晶喷射过程通过在操作期间将光源以较低角度引导到本发明腔室的边缘处的氮气表面上而容易见到。

本发明不受置于装置中以维持在期望温度下的样品或物体的类型或性质限制。对于一些应用而言，装置将用于将容器中的生物材料维持在期望的温度范围。例如，生物材料可以为或包含核酸(例如RNA或DNA或其改性型式)、蛋白质(例如抗体、趋化因子、细胞因子、酶、激素和淋巴因子)、脂质(例如生物膜)、病毒(例如疫苗)、细胞(例如原代细胞或干细胞或细胞系)、身体组织和体液(例如血液和血制品，包括血清、活检标本)和食品。在各种实施方式中，生物材料可用于治疗或预防疾病；此类生物材料包括基于核酸或基于蛋白的药物或疫苗。例如，可用作疫苗的某些包膜病毒在较高温度下非常容易降解，并且本发明的装置可用于将其保持在使稳定性最大化的温度下。

就一些应用而言，所述装置可用于将容器中的有机或无机化合物保持在期望的温度范围。例如，有机化合物可以为对温度波动灵敏的药物，并且示例性无机材料包括用于半导体芯片制造和航空航天工程以及催化剂中的材料。

因此，本发明具有广泛应用，一般包括在制造和生产航空航天材料、计算机、化妆品、药品、食品、半导体、先进材料研究、和温敏材料中的应用。本发明将发现在贴标和包装温敏材料，诸如生物材料、用于干细胞和其它治疗的细胞、用于制备其它产品、化合物、药物、酶和疫苗的细胞中的应用。本发明将发现在储存或进行生物分析中的应用。本发明将发现在将生物或非生物材料从一个容器转移到另一个容器中的应用，包括自动转移、手动操作或通过机器操作。本发明将发现在将冷藏或冷冻或温敏材料转移到低温槽和液氮罐中用于长期储存于(在发生时)例如但不限于生物库、生物储藏、低温储藏和低温冷冻中的应用。本发明还将发现在高通量筛选中的应用，如在用于诊断目的和药物发现而进行的筛选。本发明还将发现在材料焊接中的应用。

图1示出本发明示例性装置100的实施方式的外部。在该实施方式中，示出包含隔热泡沫材料的容器100具有任选的前盖130。所述前盖与支撑液氮填充端口140、仪表板150和液位检测器160的后盖或台板120接合。

容器110可包括与本发明的教导兼容的任何期望的外部尺寸。在一些情况下，容器110包括约24.0英寸至120.0英寸，或更大的外部长度，约36.0英寸至约96.0英寸的的外部长度，并且在一个实施方式中，66.0英寸的外部长度。在另一个实施方式中，容器110包括35.0英寸的外部长度。

容器110还包括约12.0英寸至约40.0英寸，约18.0英寸至约32.0英寸的外部深度，并且在一个实施方式中，28.0英寸的外部深度。在另一个实施方式中，容器110包括24英寸的外部深度。

在一些情况下，容器110包括约6.0英寸至约32.0英寸，约12.0英寸至约28.0英寸的外部高度，并且在一个实施方式中，15.0英寸的外部高度。在另一个实施方式中，容器110包括26.5英寸的外部高度。

容器110还可包括与本发明的教导兼容的任何内部尺寸。在一些情况下，容器110包括约20.0英寸至约116.0英寸，或更大，约32.0英寸至约92.0英寸的内部长度，并且在一个实施方式中，54.0英寸的内部长度。在另一个实施方式中，容器110包括27.0英寸的内部长度。

容器110还包括约8.0英寸至约36.0英寸，约14.0英寸至约28.0英寸的内部深度，并且在一个实施方式中，16.0英寸的内部深度。

在一些情况下，容器110还包括约6.0英寸至约24英寸，约8.0英寸至约22.5英寸的内部高度，并且在一个实施方式中10英寸的内部高度。在另一个实施方式中，容器110包括9.5英寸的内部高度。在另一个实施方式中，容器110包括21.5英寸的内部高度。

容器110还包括选择成使装置的隔热特性最佳化的壁厚。在一些情况下，容器110包括约2.0英寸至约12.0英寸，约8.0英寸至约10.0英寸的壁厚，并且在一个实施方式中，6.0英寸的壁厚。

容器110还可包括前盖或盖子130，其具有选择成使装置的隔热特性最佳化的厚度。在一些情况下，盖子130包括约1英寸至约2英寸的厚度，并且在一个实施方式中，2.5英寸的厚度。容器还可包括底部或基底122，其具有选择成使装置的隔热特性最佳化的厚度。例如，在一些情况下，基底122包括约2英寸至约8英寸，约2.5英寸至4英寸的厚度，并且在一个实施方式中，3.5英寸的厚度。盖子130还可包括凹口(未示出)以允许有装置的通道或线或其它电路。

容器110可以由单个整体材料或由多个单独片材的层合体构成。在一些情况下，容器110包括两个或更多个部分的层合体。在一个实施方式中，容器110包括三个中间部分124的层合体，其与基底122耦合并且被配置成容纳盖130。中间部分124可各自包括在层压之后提供期望的内部高度的单独厚度。例如，在一些情况下，每个中间部分124包括约2英寸至约6英寸，约2.5英寸至4英寸的单独厚度，并且在一个实施方式中，3.25英寸的单独厚度。在另一个实施方式中，每个中间部分124具有3.0英寸的单独厚度。

所示实施方式的总体尺寸为长35英寸，宽24英寸以及在盖的顶部表面处的高15.5英寸。内部腔室尺寸测量值为长27英寸，宽16英寸，深9.5英寸。

现在参见图2，呈现了图1中所示实施方式的截面图200。容器底部220接合到容器壁210以形成气密开放腔室240，其中放入待操作的样品230。液氮包含在开口罐组件250中，所述开口罐组件用一系列扣件270安装在容器210的后壁上。填充端口260以液氮通道方式固定在顶盖台板中。在罐的相对端(未示出)上是浮子传感器以监控液氮液位。在操作条件下，包含在罐内的液氮沸腾，从而在气体沿罐的内部后壁向下移动时，通过管壁和底面以及从较热气体中吸收热，液体表面暴露于该较热气体。由沸腾液体释放的冷且致密的氮蒸气溢出罐的前部并向下瀑布状落下致密气体帘以填充腔室240的下部分，沿腔室底面向前置换腔室气体。被置换的气体随着其与腔室的中间和上部区域的较热空气混合而沿腔室的前侧上升，并且然后朝向罐向后行进，其中流动模式不断重复。气体流扰乱并混合否则气体，否则其将形成温度梯度，并且通过混合在腔室内形成更均匀的温度。罐250的升高对装置的正常功能是至关重要的。如果罐定位在或靠近内部腔室的底面，则溢出锅炉罐的液氮气体流出物借助于较高密度将分散在整个腔室底面上，并且随着气体吸收热能并膨胀，将被从罐中放出的较冷气体流出物抬升。因此，腔室将被具有从腔室表面处的最热气体到腔室底面处新放出的气体下降的温度梯度的气体上升柱填充。当以一定高度安装在内壁上时，溢出的致密气体在其落入重力场中时获得向下的速度和动量。在到达腔室底面时，气体的动量将其朝向腔室内部的相对内壁向前携带，从而引发水平滚动的腔室气体循环模式，其具有平行于锅炉罐的下边缘的轴。内部气体循环模式由锅炉流出物不断供给，同时冷气体相溢出所述罐。通过这种温和滚动运动，内部气体不断混合，从而在内部腔室内提供更均匀的温度。为实现这种效果，在一些实施方式中，将罐边缘(如下图3中所示，元件320)放置在腔室底面上方不小于内部腔室壁高度的百分之七十五的高度处。其它位置也是可行的，具体取决于腔室的构造(包括例如，在顶部开口处存在或不存在领状或烟囱状结构)。在其它实施方式中，可选择罐边缘的位置以在所选温度范围下提供期望的工作深度同时可以增加锅炉边缘上方的腔室的整体深度以增强工作区上方的气体隔热层，从而降低环境热流入的速率。升高的罐在降低内部气体温度并形成更均匀的腔室气体温度方面的有益效果展示在下图5中。如果腔室气体被湍流扰乱，则夹带环境气体的可能性增加。如果来自锅炉的气体流出物是不均匀的，则气体混合可能变得不均匀，因此，当锅炉被配置成使得致密气体以均匀帘的形式溢出而不是延伸至腔室内部的长度时，将获得锅炉的最佳性能。为实现冷气体的均匀瀑布状下落，线性锅炉的前边缘的最佳位置将在水平取向上。

现在参见图3，示出了图2中所述罐300的整体长度。所述罐包括一段金属槽，其在端部上由端板330包围以形成液密罐。罐320的前边缘水平延伸至后部以使溅出的液体返回至罐中。罐的后壁通过被引入穿过安装孔340的螺丝安装到容器壁。浮子传感器外壳350容纳用于液氮液位感测的浮子机构并且在组件运动时还充当浪涌抑制器。所示罐的尺寸测量为26英寸长，3英寸宽，和在前侧处3.25英寸高，以及在后侧处4.25英寸高。

现在参见图4，其以截面图形式示出图3中呈现的罐。填充端口450通过凸缘延伸部附接到两个端壁420的左侧。同样，浮子传感器外壳430通过从两个端壁420的右侧延伸的凸缘附接。任选穿孔的金属挡板440用于抑制组件运动时液氮的飞溅涌出。

现在参见图5，示出了上升的气体循环贮存器对本发明的热性能的效果。在图中，示出由以两英寸间隔的垂直阵列形式固定的热电偶传感器收集的温度测量值。由一个测试展示了四条迹线，其中液氮包含在置于26英寸长、14英寸宽且9英寸深的腔室的底面上的盘中，其中最低的传感器定位在腔室边缘下方8英寸处。所述迹线示出腔室内部的气体构建了温度梯度，其中边缘下方2英寸处的温度比腔室边缘下方8英寸处的温度热约30摄氏度。对于所有传感器而言温度随时间推移保持持续上升直至在进入实验约1.2小时液氮耗尽时。在相同位置处获取的第二组迹线在将如图3和4所示的液氮循环贮存器安装在腔室后壁上并填充至前边缘下方二分之一英寸的水平时产生。4、6和8英寸深的传感器迹线间隔紧密，这表明在该区域的温度更均匀并且更接近低温范围。此外，2英寸深温度下降约40摄氏度，然而8英寸深温度下降约25摄氏度。用于产生数据的罐的尺寸，对于在罐置于腔室底面上的情况下的第一组数据而言为在水平面上10英寸长，5英寸宽，和2英寸深并且在开始实验时填充至1.75英寸的深度，然而对于第二组数据而言，安装在后壁上的罐测得为在水平面上26英寸长，2.75英寸宽和3英寸深。罐安装在腔室的后壁上使得罐前侧的顶部边缘距容器边缘1.4英寸。在实验开始时将所述罐填充至2.5英寸深。

图6A示出矩形横截面液氮锅炉的另一个实施方式。锅炉主体由矩形U形通道610构成，所述通道610被形成液密罐的两个缝焊端板660包围。所述罐由后壁650通过悬架槽620安装到冷腔室的后内侧表面。因为腔室盒的隔热材料将与锅炉的金属材料具有不同的膨胀系数，所以在室温至较低范围的操作温度的温度范围内，隔热材料将以比锅炉需要更大速率的收缩和膨胀。为此，端部上的安装槽被设计成在水平取向上以允许在安装柱上滑动，然而中心安装槽在垂直取向上以保持罐的中心位置。为抑制移动期间的液体晃动，所述罐在前侧上配备液体返回凸缘640，同时后壁650的高度形成堤以使液体返回到罐中。为抑制罐的长轴上的液体运动，穿孔金属挡板630以1英寸的规则间距隔开。对于预期具有更剧烈运动的应用而言，为抑制液体运动，挡板***可由多孔材料替换，所述多孔材料诸如但不限于开孔聚氨酯泡沫、陶瓷泡沫、纤维素纤维、合成纤维和金属网。

现在参见图6B，示出了图6A中所示的锅炉的主要尺寸。所述锅炉有26英寸长，3.22寸前侧高和2英寸宽。锅炉的后壁的高度为4.25英寸。

参见图7，示出了楔形横截面液氮锅炉罐(“V”形锅炉)的实施方式。锅炉700包括弯曲以形成楔形截面通道的单片20号不锈钢，楔形截面通道包括后壁、底部和前壁710。为防止运动期间制冷剂的飞溅喷射，将向后突出的凸缘780附接在前上边缘处。缝焊到楔形两端的是形成液密槽的端帽730。将多个通槽720引入后壁中，以用于将锅炉安装到冷气体容器的工作腔室的内壁上。从罐770的后壁向后的边缘突出增加了后壁的刚度并在腔室的内壁上形成密封以限制气体和液体在锅炉后面流动。将传感器安装板750焊接到罐的右端和凸缘780界面处，但在一些实施方式中，传感器安装在可供选择的位置处。在其它实施方式中，将多个传感器安装在相同锅炉中。传感器盖安装板760附接到传感器安装板。为抑制流体运动，沿罐内部的长度以规则间距安装穿孔金属挡板780。锅炉的截面轮廓形成V形。

图7中所示的V形锅炉的整体尺寸示于图8中。所述“V”是指贮存器横截面的形状，然而“锅炉”涉及液氮在向装置提供冷气体的贮存器中沸腾。用于上图2-4以及6A和6B中所示装置的锅炉具有矩形横截面并可用于达到低至-160℃的腔室温度。V形锅炉能够将腔室内的温度调节到-80℃至-50℃的范围。在矩形横截面锅炉的情况下，随着LN2含量下降，腔室温度升高。对该观察结果的解释为，与接触LN2的锅炉内表面相对的锅炉外表面区域是与锅炉外部上的气体热交换的主要构件。此外，锅炉中的LN2表面越低且锅炉中的LN2表面积越小，则LN2表面和腔室气体之间的直接热交换的效率越低。V形锅炉的横截面比底面是恒定值的矩形锅炉提供更快速减小的LN2表面积以及更快速减小的与LN2接触的且与罐内的LN2的液位呈函数关系的锅炉表面积。V形锅炉增加了可以发现腔室温度在期望范围内时的液位的可能性。换句话讲，V形锅炉比矩形锅炉具有更大的对利用LN2含量的冷却能力的抑制。

一旦使贮存器中的给予腔室中适当温度的所期望的液位相关联，本发明就提供多种方法以维持所述特定液位。在下文所述的测试示范中，定期手动添加LN2被用于使腔室温度保持在期望的范围内。

参见图9，示出了测试的结果，所述结果证实V形锅炉设计能够将开放式气体腔室保持在指定温度范围内。进行通过手动激活液氮泵送***将LN2周期性添加到锅炉中以模拟调节反馈回路。基于除了来自四个热电偶垂直阵列的温度反馈之外还通过使用标准尺度对液氮深度的目视监测，通过关闭将LN2泵送到锅炉中的开关来手动添加液氮，然后当达到适当液位时打开开关。热电偶阵列在9.5英寸深腔室的底面上方1英寸的高度处和在底面上方3英寸、5英寸和7英寸的高度处提供温度。所述腔室有16英寸宽和27英寸长。锅炉为26英寸长。在测试中，目标是将最低热电偶传感器处的温度保持在-80摄氏度±2摄氏度。发现在每5分钟持续时间内约45秒的再填充循环将温度保持在特定范围内。结果示出使用反馈回路，可在6英寸深测试体积内建立二十度温度范围。在填充循环的高低相之间的液氮深度变化为0.25英寸。在测试条件下，锅炉消耗约3升液氮每小时。

图9的结果表明如果将施用灵敏的液氮液位传感器，则所述结果可通过自动化填充过程来重复。对于LN2贮存器的自动填充而言，本发明提供感测贮存器中液位的方式。在图9所述的测试示范中，将液位调节至四分之一英寸的差值，然而可通过进一步限制高低LN2液位差来实现温度循环范围的更严格控制。利用由本发明提供的非常灵敏的液位检测器，可实现腔室内温度的严格控制。

图12示出传感器1200的一个实施方式，所述传感器被设计成实现精细调节本发明的腔室气体温度所必要的液位分辨率。当浮子1205附接到V形锅炉安装板(图7中的部件750；图12中的部件1217)时，借助于传感器基底1218，浮子1205悬浮在锅炉(示出横截面轮廓1215用于位置参考)中并将随锅炉内液体的液位而上升，在该过程中提起连接杆1210。连接杆1210将提起传感器滑动件1220，所述传感器滑动件1220通过两个滑动杆1225保持成垂直路径。附接在侧面的是两个夹板1230，所述夹板1230部分包围聚酯薄膜编码条1235，在所述聚酯薄膜编码条1235上是细条网格，所述细条网格以200次循环每英寸的间隔提供明-暗图案。网格编码条在光传感器1240上滑动，所述光传感器1240可通过连接器销1250提供高低数字电压信号。所述信号由带状线总线(未示出)携带，所述带状线总线由夹板1255保持并通过旁路缺口1260离开通过传感器外壳的后部(未示出)。在200次循环每英寸的分辨率下，四分之一英寸的浮子位置的变化将提供50次循环计数，并且从而可提供足够的灵敏度以监测在期望范围内的LN2液位。液位数据可由微处理器使用以控制LN2泵送***。编码条和传感器两者均可商购获得(从供应商诸如USDigital；USDigital销售合适的传感器，型号为EM-1)。

因为锅炉处于非常冷的温度下，并且传感器向上延伸到室温气体中，因此存在可能吸收环境热的热短路。如果传感器由具有高热导率的材料制成，则传感器的大部分将非常冷并且会将大气水分在***上冷凝成霜，潜在地干扰信号。因为传感器包括滑动浮子液位，所以在该***上的任何霜会约束滑动组件。为此，传感器由具有低热导率的材料构成，低热导率的材料如碳纤维片或环氧树脂、玻璃纤维。所示浮子由PE(聚乙烯)泡沫制成。

本领域技术人员应理解，根据本公开，本发明的装置可以是全自动的并配备有各种传感器、报警器和用于收集、储存和发送信号的构件。温度传感器常常与装置一起使用，并采用由温度测量值形成的记录，所述记录可发送至其它装置。液位传感器可用于贮存器。可利用报警器并配置成提醒使用者不可取的温度变化或需要向贮存器中添加冷却剂。在一些实施方式中，附接的或远程微处理器接收来自罐液位传感器、温度探针或来自罐液位传感器与单个或多个温度探针两者的信号输入，并基于接收的输入信号控制制冷剂输送***，从而控制锅炉罐内的液位。在一些实施方式中，调节液体制冷剂输送的微处理器附接到使用者触摸屏界面。在一些实施方式中，触摸屏界面物理附接到冷气体容器，然而在一些实施方式中，触摸屏远离冷气体容器。在其它实施方式中，微处理器通过硬连线或无线接口与装置连接，所述硬连线或无线接口将传感器数据发送回微处理器并接收来自微处理器的控制信号。

图17示出了从本发明的一个实施方式接收和发送的信号连接的实例。在所示的示意图中，除了从一个或多个制冷剂罐传感器发送的信号之外，中央微处理器板还接收来自八个独立的温度传感器以及制冷剂Dewar贮存器内部的液位传感器的输入。微处理器板具有与液氮制冷剂泵或加压***和Dewar压力释放阀连接的输出信号线，所述Dewar压力释放阀可在本发明处于运行中时被激活以防止由于液体内容物晃动到容器内部的高温壁上而导致的Dewar瓶无意加压。微处理器板(CPU板)接收从较高电压AC到较低电压DC整流器的功率并连接至电池***，以在本发明与AC线脱离时不中断功率。微处理器板具有通过硬线或无线连接和触摸屏界面下载数据的端口，然而在其它实施方式中，可视界面是LCD屏并且用户输入通过其它方法进行，包括但不限于机械开关或电容式开关。音频输出信号被连接到转换器以提醒操作者本发明可能所处的各种条件和状态。

可包括内部腔室壁中的通道以放置测温传感器接线。通道在界定冷气体工作深度的两个液位处在整个内壁周长处运行，从而提供对气体温度的高低范围的反馈。在一些实施方式中，传感器可安装在传感器杆上，所述传感器杆位于靠近工作区域的锅炉侧和工作区域的前角落的侧面位置处。

现在参见图10，示出了本发明的液位传感器控制实施方式。在该实施方式1000中，示出了具有内部腔室1010的冷气体容器1005，内部腔室1010具有13英寸宽、54英寸长和9.5英寸深。液位传感器1020安装在V形锅炉1015上。将传感器数字信号供给微处理器(未示出)，所述微处理器控制泵***1030以从Dewar瓶1025(部分示出；放置在容器1005的后面)中输送液氮。虽然用于与机械***一起使用的实施方式1000的装置可位于单一位置和高度，但当装置被配置成用于手动使用时，可提供动态工作高度选择。通常以压力容器的形式提供至大液氮贮存器的中间体，所述压力容器使用内部气体压力作为输送力以通过软管或管分配液体。用于低温使用的柔性分配软管通常构造有波纹内径。在液体的压力从20PSI的典型储存压强下降至大气压强时，液氮的沸点下降。因此，液体的一部分必须膨胀成气体以降低液体温度。在生成的气体通过分配软管释放时，通常从软管中发出高分贝汽笛。此外，氮以气体和液体的混合物形式分配，并且频繁施用相分离喷嘴以抑制液体喷雾和喷射。在锅炉的5分钟更新循环的情况下，安装加压液氮***，位于工作站1000的工人在换班期间将经历氮气释放多次的刺耳声音并且可能具有对工作体验的负面影响。为此，图10中所述的本发明实施方式中的液氮由常压Dewar器来供应并通过按需低增压***来输送，所述***由浸没在液氮Dewar贮存器中的电阻线圈构成(未示出)。此外，虽然用于冷却未隔热金属输送软管的液氮消耗对于制冷剂的不频繁散装输送是可令人接受的，但将相同软管用于频繁的间歇式液体输送将导致显著累积的制冷剂成本。为此，在图10所示的氮输送***中，液氮仅与具有低热容量和高隔热值的合成材料接触，从而大大减少制冷剂循环输送成本，因为相对少的液氮到气体的转化由于管道***的冷却在运输时发生。***包括隔热上升管1035，其将液体上升至相分离圆顶1040。然后液体由于重力移动通过一级重力滑槽1045并进入伸缩滴液喷嘴1050，然后进入二级重力滑槽1055以通过填料喷嘴1060后续分配到锅炉罐1015中。二级重力滑槽***相对于容器1005保持固定并通过支架安装到容器上。在容器1005上升和下降时，伸缩滴液喷嘴调节长度以适应一级重力滑槽和二级重力滑槽之间的距离变化。

现在参见图11，图10中所述的液氮输送***以横截面详细示出。在该图中，输送***1100包括内部碳纤维管1105，其通过泵***头部1110延伸入相分离圆顶腔室1125中。在一些实施方式中，在通过Dewar瓶中的电阻线圈施加电势时，在Dewar瓶内产生约2至5psi的氮气压强的脉冲，从而通过管1105立即提升氮柱。在其它实施方式中，在所有时间下加压Dewar贮存器并且通过电控阀来调节液氮的流量。液氮和任何生成的气体溢出圆顶1130内的圆顶腔室1125中的管，并且液体顺着气泡头1120排放同时气体通过排气孔1140释放到圆顶盖1135中。液氮向下流入一级重力滑槽1145中到被柔性波纹管1155包围的伸缩滴液喷嘴1150，并且排入圆柱形漏斗1160中。液氮流入二级重力滑槽1165中并通过分配喷嘴1170离开进入液氮罐。

尽管气体压力用于本发明中以从Dewar瓶中输送液氮，在一个实施方式中，液氮借助于电动叶轮泵通过管1115上升。

图18示出了液氮输送和流量调节***的一个实施方式，所述***可用于调节冷腔体的温度。在该实施方式中，将液氮从储存Dewar瓶2804输送至液氮锅炉2802。液氮流动路径包括内部虹吸管和管道过滤器(未示出)，其穿过Dewar瓶歧管2806并进入隔热输送导管2808。导管终止于电控阀和阀门2810，其通过控制导线2812由电信号来操作，所述控制导线传送来自容纳于仪器外壳2814内的中央处理控制板(未示出)的输出信号。液氮储存Dewar瓶2804通过附接到进入歧管2806中的进料管2817的耦合连接器2816填充。液氮流入Dewar瓶中通过电控阀2818调节，所述电控阀2818接收来自控制线2820上的控制板的信号。在Dewar填充循环期间，Dewar中的内部背压通过电控气体释放阀2822释放，所述阀2822通过信号控制线2824操作。中央处理板通过数据信号线2828接收来自压力传感器2826的Dewar压力数据信号。Dewar液位传感器2830通过信号线2832向处理器板提供数据输入信号。Dewar可通过激活浸没在液氮中的电阻线圈2834加压。在通过电源线2836施加电流时，线圈升高的热将蒸发一些液氮从而使Dewar瓶的内部压力升高。使用一个或多个液氮液位传感器2838以监测锅炉2802中的液位，并且在处理器板处接收液位数据信号作为在线2840信号。通过液氮锅炉2802冷却的冷腔体(未示出)的温度由一个或多个传感器2842感测，并且将温度数据输入信号通过信号引线2844传递至处理器板。通过对液位传感器2838和温度传感器2842反馈数据的计算分析，中央处理板将调节进入锅炉2802的液体量，从而控制液氮的液位并因此控制冷腔室的温度。

图13示出一种装置(“托盘冷却模块”)，其被构造成保持托盘堆叠体1305，所述托盘堆叠体待用小瓶填充。显示五个托盘的堆叠体。应当理解多种配置是可能的。例如，装置可被配置成保持容纳十个储存盒的冷冻机架。可改变容器以适应任何架高(所述架可以定位其侧面上在该“穿梭模块”(shuttlemodule)中)。

图14示出了一系列装置可一起使用以进行复杂操作的方法。在图14A中，三个人将小瓶转移到纸箱中并密封纸箱。在工作站(1)处，纸箱托盘预冷并且容器移动至转移位置。在工作站(2)处，低温箱和纸箱托盘移动以转移容器。在工作站(3)处，纸箱用小瓶加载并被传递到纸箱密封工作站。在工作站(4)处，将加载的纸箱密封，然后托盘冲进缓冲工作站。在装满时，托盘移动至冷冻机。

图14B示出了装置的移动性。如图所示，本发明的装置可置于轮式推车上以使其移动，并且本发明提供多种专门改装的推车。本发明的推车可包括以下组件中的一个或多个：(i)用于冷却剂的贮存罐；(ii)用于将冷却剂从冷却剂贮存器转移到装置的锅炉罐中的泵***或压力***；(iii)电源；(iv)电源充电器；(v)电压转换器；(iv)用于升高和降低一个或多个推车表面的构件；(v)用于手动推进推车的柄部；(vi)用于灵敏设备的防震防护件；以及(vii)液氮管、相分离器、重力滑槽、及其安装结构。在图14B中，不锈钢管架推车1402在一组四个脚轮1404上移动并支撑隔热腔室1406。所述腔室通过包含双液位浮子传感器1410的液氮锅炉1408制冷。通过在电控阀1418处终止的隔热加压进料管1416向所述锅炉供应贮存在一级1412和二级1414Dewar瓶中的液氮。主微处理器板(未示出)接收并处理来自液位传感器1410的锅炉液氮液位数据，和来自一系列附接到管状线束1420的温度传感器1422的腔室温度数据，以通过控制阀1418调节液氮输送。温度传感器导线(未示出)离开传感器线束1420通过端口1424以与中央处理板连接。实施方式1400的操作状态显示在视频图形显示器1426上。在实施方式1400操作中的不合格条件通过彩色灯塔1428可视化公布。

本领域技术人员应当理解，根据本公开，本发明的装置可以是完全自动化的并且配备有多个传感器、报警器和用于收集、储存和发送信号的构件。温度传感器常常与装置一起使用，并采用由温度测量值形成的记录，所述记录可发送至其它装置。液位传感器可用于贮存器。可利用报警器并配置成提醒使用者不可取的温度变化或需要向贮存器中添加冷却剂。

因为液氮锅炉的冷却能力可通过增加表面积和制冷剂体积来增强，所以所用冷却能力是可改变的。此外，较高密度下的腔室内的冷却气体将流动以填充腔室的范围从而置换较热和较不致密的气体。假设液氮锅炉以适当间隔放置以保持期望的气体温度范围，则可根据本发明构建任何长度的工作腔室。可在长容器中引入弯管以适应底面布局安排、生产流程要求和工艺步骤优化。

槽形容器的完整回路可根据本发明以无限多种布局和尺寸来构建。例如，对于机械臂活性而言，圆形槽可以是最佳构造以便利用中央机械枢轴点。

在一些实施方式中，可构建多个容器，其中改进一个或多个侧壁使得两个或更多个容器可接合以形成更长或更复杂的模块组件，从而获得连续的低温气体井或槽。此类布置可获得扩展的或复杂的工作***的结构，其中可进行操作而不需要将其中所包含的材料暴露于外部环境或温度。在一些实施方式中，可将容器接合，例如但不限于，内部或外部凸缘接头、粘合剂接头、磁性接头、熔融焊接、夹具或组合的永久的或可逆地附接的互锁结构。在一些实施方式中，多节容器结构形成线性结构，然而在其它实施方式中，容器形成复杂路径，例如但不限于，以允许增强工作人员、机器或机械***的进入或关键布置。在一些实施方式中，接合的容器形成自相交组件，从而允许例如但不限于机械臂从中心位置绕行容器但不将臂的部分从冷气体内部移除。在其它实施方式中，自相交槽由一片材料形成，例如但不限于模塑或加工泡沫槽。在一些实施方式中，可覆盖扩展***的接合容器中的一个或多个。在其它实施方式中，一个或多个接合容器可不包括冷却剂罐，例如但不限于，以充当连续腔室***中的接头、延长器、接头、弯头或弯管。

图15A-D示出槽实施方式。在一些实施方式中腔室可描绘为线性槽(图15A)、蛇形槽(图15B)、或Z字形槽。在一些实施方式中，槽可以为分叉的。在一些实施方式中，分叉的槽具有单个交点(例如，“Y形”或“T形”槽)。在一些实施方式中，槽形成闭合或连续回路。

图15B示出可将弯管引入长容器中以适应底面布局安排、生产流程要求和工艺步骤优化。槽形容器的完整回路可根据本发明以无限多种布局和尺寸来构建。例如，就机械臂活性而言，圆形(环形)槽可以是最佳构造以便利用中央机械枢轴点。

图15C示出了槽容器滚道1810的说明性布局1800。槽***包括三个不同尺寸的U形回路1820，其中工作人员或机器元件可以就位。槽滚道的结构是模块化的，包括直模块1830和弯头模块1840。所示的槽终端模块1850可用作开环配置中的末端件。在一些实施方式中，槽形成环形回路。在一些实施方式中，回路包括四个直线段，具有由两个同心方形限定的路径。在一些实施方式中，多个容器或容器部件可由一个或多个侧壁构建，改进所述侧壁使得两个或多个容器或部件可接合以形成更长或更复杂的模块组件，从而能获得连续的低温气体井或槽。如本文所用，基于设计或构造，“模块化”具有采用或涉及一个或多个模块的其正常含义。在本发明的情况下，容器由选出的预成形模块构建，所述预成形模块可以各种方式结合以提供具有各种结构和腔室路径以及路径长度的容器。此类布置可允许获得扩展或复杂的工作***的结构，其中可进行操作而不需要将其中包含的材料暴露于外部环境或温度。在一些实施方式中，可将容器接合，例如但不限于，内部或外部凸缘接头、粘合剂接头、磁性接头、熔融焊接、夹具或整合的永久的或可逆地附接的互锁结构。在一些实施方式中，多节容器结构形成线性结构，然而在其它实施方式中，容器形成复杂路径，例如但不限于，以允许增强工作人员、机器或机械***的进入或关键布置。在一些实施方式中，接合的容器形成自相交组件，从而允许例如但不限于机械臂从中心位置绕行容器但不将臂的部分从冷气体内部移除。在其它实施方式中，自相交槽由一片材料形成，例如但不限于模塑或加工泡沫槽。在一些实施方式中，可覆盖扩展***的接合容器中的一个或多个。在其它实施方式中，一个或多个接合容器可不包括冷却剂罐，例如但不限于，以充当连续腔室***中的适配器、延长器、接头、弯头或弯管。

在一些实施方式中，腔室具有槽构型，所述槽构型具有为腔室宽度五倍以上、六倍以上或8倍以上的腔室路径长度。在一些实施方式中，腔室具有槽构型，所述槽构型具有大于3英尺、大于6英尺或大于10英尺的腔室路径长度。在一些实施方式中，所述腔室长度为3至30英尺，诸如5至20英尺，诸如8至12英尺。

在一些实施方式中，腔室的一些部分被覆盖，并且其它部分打开(图15D)。

如本文所用，“腔室路径长度”是指物体可在腔室中被输送通过的距离(即，从一端到另一端，或在闭合回路的情况下，从起始位置返回到相同位置)。为了解释说明，具有4英尺总长度尺寸的矩形腔室也具有4英尺腔室路径长度。相反，具有4英尺总长度尺寸的蛇形或环形腔室将具有更长的路径长度。例如4英尺直径的环形(环形)腔室的路径长度为约12.5英尺(由腔室壁限定的两个同心环中的较大同心环的周长)。

在一些实施方式中，腔室温度由一个或多个温度传感器监控。在其它实施方式中，温度传感器通过传感器线束可移除地保持在适当位置，所述传感器线束也对传感器导线进行布线和保护。在一些实施方式中，传感器线束支撑在一个或多个水平面中的传感器阵列，从而可监测在腔室内部中在给定平面的所有区域处的温度。在一些实施方式中，界定指定工作区的上下平面可由水平传感器阵列来监测。在一些实施方式中，传感器线束选择性安装在腔室壁上，然而在其它实施方式中，线束为独立和自支撑的结构。如图16中所示，自支撑传感器阵列结构可由上传感器阵列1620和下传感器阵列1625构成，它们通过垂直支撑构件1630连接。温度探针1640可包括任何类型和/或数量的本领域已知的温度探针。在一个实施方式中，温度探针1640包括电阻温度检测器(RTD)传感器。在另一个实施方式中，温度探针1640包括热电偶传感器。温度探针1640还可包括任何尺寸和长度，如可能期望的。例如，在一个实施方式中，提供长度为约4.5英寸且直径为0.25英寸的温度探针。

本发明的传感器线束1620一般可包括可与本文所公开的预期目的兼容的任何尺寸、形状和/或构型。在一些实施方式中，传感器线束1620包括刚性的耐热材料，诸如铝、不锈钢、或碳纤维管。在一些实施方式中，传感器线束由其中引入进入端口的实心管构成，然而在其它实施方式中，传感器线束包括由互锁通道构成的传感器导线导管。

图16所示的实施方式的传感器线束1620包括管状导管材料，其具有中空内部，温度探针导线和其它电路通过中空内部进行布线和贮存。在一些情况下，温度探针导线连接至插座接头1635，通过所述插座接头，电线(未示出)离开架1620和容器***1600。导线的暴露部分还可通过柔性尼龙管(未示出)布线并且导电的端部可操作性地耦合至显示单元、温度计和/或其它温度感测设备，如上文所讨论的。在一些实施方式中，线束1620,1625包括将线束结构连接到接地电势的接地线。

传感器线束1620一般包括近似于腔室1605的内部尺寸的形状，使得架1620占据腔室的内周。按如此构造，架1605可以定位在腔室1605的内部，对容器***的可用工作空间区具有最小影响。

在一些情况下，工作区的上下水平边界平面由水平的温度传感器阵列监测，然而在其它实施方式中，仅上边界平面、下边界平面、或上边界平面和下边界平面之间的选择的平面将由温度传感器阵列监测。在一些情况下，传感器线束1620使用与腔室底面接触的支撑结构定位，然而在其它实施方式中，传感器线束1620通过多个挂钩悬浮于腔室底面上方，所述挂钩直接接合嵌入腔室内壁中的支撑件(未示出)。在一些实施方式中，嵌入的支撑件包括多个挂钩接合结构从而可调节传感器线束的高度。

继续参见图16，传感器线束1620,1625还可包括一个或多个温度传感器接头，所述接头具有用于容纳架1620,1625的第一孔，和用于容纳温度探针1640的第二孔。传感器探针可包括期望的任何长度或尺寸。在一些情况下，在第一孔和第二孔之间提供路径，由此温度探针导线可从第二孔穿过并经由第一孔进入架1620,1625的中空内部。因此，温度探针导线完全隐蔽在传感器接头和架1620,1625内。

传感器接头一般包括非导热材料，诸如交联的聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫或聚合物共混物泡沫。因此，温度探针1640与架1620,1625在热力学上隔离，并且可因此精确地监测工作空间内的温度而不受传感器架材料的干扰。在一些情况下，传感器接头的位置经由干涉配件或粘合剂中的至少一个来固定。在其它情况下，传感器接头在架1620,1625上的位置可由使用者根据需要调节。

传感器线束1620还可包括一个或多个耦合到架1620的扩束激光器1645。在一些情况下，调平激光器1645包括电源导线，所述导线穿过架1620的中空内部并且经由插座接头1635离开架1620。

低温区的边界或上限的可检测指示器可用于本发明的实践以确保样品不移出低温区进入容器的上部区域中，所述上部区域可在期望的温度范围之外。多种方法可用于此类划分，包括着色(例如印刷在腔室壁上的指示线)或灯(例如，嵌入的LED灯)，其定位在对应于低温的顶部的指定高度处的腔室壁上。在一种方法中，该***可以装备有扩束激光器或线激光器，例如如图25所示，其投射指示受控温度工作环境的上限或最大水平的线性标线。一般来讲，激光器适用于在低温区的上边界平面处沿穿过腔室的水平路径投射光。

在某些实施方式中，“线激光器”用于划分低温区的上边界。线激光器(有时被称为“扇形激光器”)投射水平激光线(“激光调平线”或“扇形阵列”)。在一些实施例中，使用水平旋转激光器。激光器可从各种源商购获得，包括QuartonInc.、17700CastletonSt.、CityofIndustry、CA91748(1mW650NM线激光器，零件号VLM-650-27-LPA)和JohnsonLevel，6333W.DongesBayRoad|Mequon，WI53092)。在一些实施方式中，使用“自调平”激光器。

参见图16，还可提供激光器1645以投射指示可控温度工作环境的上限或最大水平的线性标线。在一些情况下，激光器1645包括激光线滤器，其被构造成在容器1605的一个或多个表面处投射激光调平线。在一个实施方式中，第一激光器1645在x轴投射激光线，并且第二激光器2122在y轴投射激光线。激光器1645还可包括可调节镜以有助于激光调平线的微调。

在一个方面，低温***的特征在于所述腔室包含至少一个低温传感器和至少一个可检测指示器(例如，线性标线的激光投影)的组合。在一个方面，低温***的特征在于所述腔室包含温度传感器和可检测指示器(例如激光线投影)的组合，其中传感器和指示器定位在腔室底面上方的相同或基本上相同的高度处。如本文所用，“基本上相同的高度”是指传感器和指示器在相同高度±1英寸，或±0.5英寸处。激光能适用于沿与传感器相同的平面(在同一平面)处的水平路径投射光。优选激光横穿腔室内部使得延伸进入或运输穿过传感器平面处的水平面的腔室中的物体被激光照射。

在一个实施方式中，激光器1645包括单个外壳，其中容纳两个或更多个激光器。激光器外壳一般是致密的并且包括最小轮廓以防止干扰腔室工作区。在一些情况下，激光器外壳具有约5英寸的长度，约1.5英寸的深度和约1.4英寸的高度。在另一个实施方式中，两个或更多个激光器以与外壳中心轴成约30°的向外角度而容纳在外壳中。参见图19和23。

在一个实施方式中，本发明提供能够使使用者在超低温环境中处理、操作、转移和包装材料但使用者不完全暴露于这些低温下的装置。本发明的装置具有多种应用。例如，本发明的环境控制包装***可用于各种过程，诸如从冷藏室转移至包装生产线的小瓶的进程中贴标；从冷藏室到包装生产线转移预调理包装组件(纸箱或包装插件)；将成品药品从包装生产线转移到冷藏室；以及将贴标的药品小瓶转移到包装工作站的-80℃至-50℃工作环境内的成品容器中。

下文提供解释说明本发明的一些装置和实施方式的实用性的各种非限制性实例。具体地讲，以下实例解释说明提供用于包装温敏产品和材料的超低温技术方案的各种***、方法和装置。本发明的一些实施方式确保了-80℃至-50℃的工作范围，所述工作范围保护了包装过程中涉及的产品、包装和工作人员的完整性。其它实施方式包括多个单独的模块，所述模块组合在一起以提供超低温环境，其中组合的模块包括完整的产品包装操作，其确保使用者安全和舒适，以及最大化产品生产能力和可扩展性的容易度。另外，在一些实施方式中，提供具有一个或多个移动模块，以及一个或多个固定模块的多模块包装工作站，其中移动和固定模块包括完整的产品包装操作。根据本公开，本领域技术人员应当理解，根据本发明，可根据需要或期望使用任何可能的结构或移动和/或固定装置。

本发明的一些实施方式还包括线束(或多个线束)作为将一个或多个组件支撑或悬置在腔室内在腔室底面上方期望高度处的构件。所述线束可具有约等于容器的腔室的内周长的长度，由此线束定位在腔室内并包围内周。在一个实施方式中，线束是具有约47英寸×约12.5英寸的尺寸的矩形。

可由线束支撑或附接到线束的组件包括温度传感器和激光器，如下文所述。因而线束可被称为“传感器线束”、“激光器线束”、“传感器和激光器线束”等。应当理解，如从上下文中显而易见，一个或多个激光器可附接到“传感器线束”，一个或多个传感器可附接到“激光器线束”等。

线束可包括中空管，其具有在其中提供开口的末端，通过所述开口可进入线束的中空内部。在至少一个实施方式中，线束包括金属材料，诸如不锈钢。线束的中空内部提供导线可运行通过其中以向承载在线束上的多个组件提供功率的内腔。一般来讲，导线通过末端中的开口供入。

在一些情况下，线束包括在底部或线束下表面上的多个槽开口。开口被构造成容纳一个或多个温度传感器，如上文所讨论的。通过将开口置于下表面上，可将温度传感器向下引入腔室中，从而优化其感测腔室内温度的位置。

开口一般包括确保该开口完全被附接到线束下表面的温度传感器覆盖的尺寸。在一个实施方式中，开口包括约0.25英寸的宽度，和约0.75英寸的长度。

开口可以允许进行精确温度测量的任何构形布置在下表面上。在一个实施方式中，开口沿线束的长度均匀隔开。在另一个实施方式中，开口隔开约8英寸至约15英寸。

线束还包括定位在线束内表面上的成对的开口，使得开口邻近容器的内侧前壁。开口被构造成容纳一个或多个激光架，其中激光架容纳一个或多个激光二极管，所述激光二极管能够发射扇形阵列以在容器的内侧壁或内后壁中的至少一个上形成调平线。在线束中提供开口使得由激光二极管发射的光被引导远离使用者并被引入容器的内部腔室中。

开口一般包括确保该开口完全被附接到线束内表面的激光架覆盖的尺寸。在一个实施方式中，开口包括约0.375英寸的宽度，和约1.0英寸的长度。

开口可以以在容器的侧壁和后壁内表面上实现连续调平线的任何构造布置在内表面上。在一个实施方式中，开口沿线束的内表面均匀隔开。

本发明的一些情况还包括传感器线束，所述传感器线束包括较宽的直径以允许导线和其它电路容易通过。其它情况提供可调节支架以用于使线束下降更深入腔室中，由此检测容器内的较冷区域。另外，本发明的一些实施方式包括传感器线束，其包括使单个传感器移除用于校正和清洁的各种腔体。

本发明的一些实施方式还包括激光器模块，其可从线束容易地附接和移除。这种特征允许线束1620,1625移除并清洁但不使激光器模块和电路暴露于湿气中。所述结构还允许用新的或不同的激光器模块容易地更换或交换所述激光器模块。在一些情况下，可能期望使用不具有激光器模块的容器。因此，本发明的一些实施方式包括可选择性地添加到传感器线束或从传感器线束中移除的激光器模块。

图19是经由线束接头2570选择性连接到线束2502的激光架2560的前透视图。激光架2560可包括与本发明的特征兼容的任何尺寸、形状和通用结构。在一个实施方式中，激光架2560包括容纳成对的激光二极管2583的前表面2562，所述激光二极管能够发射水平扇形阵列以提供水平面指示。激光二极管2583设置并容纳在隔室2582中，所述隔室具有让激光发射通过的开口。在一些实施方式中，前表面2562的外部边缘或拐角相对于激光架2560的纵轴2564向内成约30°的角。替代地，在一些情况下，前表面2562包括平面，并且前表面2562的拐角或侧边缘相对于前表面2562的平面向内成约30°的角。因此，每个隔室2582的中心轴从前表面2562的平面向外成约30v的角。这些成角度的表面，和激光二极管2583的各自成角度的位置实现了从容器的侧壁和后壁内表面上发射的连续水平线。

在一些情况下，激光架2560包括L形，由此提供空间2590用于适应线束2502的放置。该L形构造还提供各种组件在架外壳内的放置。在其它实施方式中，激光架2560包括与激光架2560的预期使用兼容的另一种形状。

现在参见图20，示出与线束接头2570和线束2502分离的激光架2560。线束接头2570包括被配置为容纳线束2502的凹面2572。在一些情况下，线束接头2570诸如通过蒸煮、焊接、耐热环氧树脂、或其它兼容的方法通过开口2530永久性附接到线束2502(参见图21)。线束接头2570一般包括大于开口2530的宽度的宽度，由此线束接头2570完全包围并覆盖开口2530。

线束接头2570还包括被配置成容纳架安装板2580的平坦表面2574。安装板2580通过一个或多个扣件2581选择性地附接到线束接头2570。在一些情况下，在安装板2580和线束接头2570的平坦表面2574之间实现液密界面。

安装板2580还包括嵌入安装板2580内并与板的平坦前表面齐平的安装磁体2585。安装磁体2585以距前表面的中心竖轴相等的距离朝向板的前表面的外边缘定位。安装磁体2585还定位成与激光架2560上提供的相应磁体对齐，如图21中所示。因此，激光架2560经由磁性界面选择性耦合到安装板2580以及从安装板2580移除。

安装板2580还包括正电端子2587和负电端子2589，其具有从板的前表面向外延伸的接触表面。每个端子各自与正导线2591和负导线耦合，所述导线通过线束2502的中空内部供入，如上文所讨论的。在一些实施方式中，每个端子还包括绝缘外壳2575，所述外壳2575包括颜色或信号以指示相应端子的电极性。电端子2587和2589牢固密封到绝缘外壳2575中以使安装板2570与输送至相应电端子的电流绝缘。

现在参见图21，示出了激光器安装组件的分解图。线束接头2570还包括中空内部，由此允许导线2591和2593通过以从开口2530离开。电导线在分别用于正电线和负电线的扩展引脚插口2576和2577中终止。安装板2570还包括多个开口，所述开口各自构造成容纳绝缘外壳2575、扣件2581和安装磁体2585。绝缘外壳2575还包括分别用于容纳正和负电端子2587和2589的开口或内腔。绝缘外壳2575以及电端子2587和2589两者均包括侧孔凹槽，通过所述侧孔凹槽可***电线扩展引脚插口2576和2577以借助于摩擦配合进行电连接。在一些实施方式中，电引脚插口借助于施用环氧树脂或硅氧烷粘合剂，通过焊接接头，或通过机械构件诸如固定螺丝(未示出)而永久性固定到电端子2587和2589。

继续参见图21和24，激光架2560还包括互补的安装磁体2595，所述磁体2595***在激光架2560的背侧上提供的相应开口2596中(参见图24)。激光架还包括也***激光架2560的开口2600中的互补电端子2597(正)和2598(负)以及绝缘体外壳2599。在一些实施方式中，电端子2587和2589包括从安装板2580的前表面向外突出的半球面。互补的电端子2597包括被构造成容纳电端子2587的半球面的凹面。由此，电流经由介于半球面和凹面之间的界面从导线2591和2593穿过分别到电端子2597和2598。该介面表面还充当安装板2580和激光架2560之间的枢轴点，由此激光架2560可经由固定螺丝2561相对于安装板2580调节，而不中断电流，如下文所述。正分叉电线组2601和负分叉电线组2603容纳在激光架2560内并分别在正扩展引脚插口2605和负扩展引脚插口2607中终止。引脚插口接合正电端子2597和负电端子2598的容纳孔。分叉电线组通过永久性焊接接头附接件与激光二极管模块2583接触并向其供电，并且仅出于空间清晰度而与图21中的二极管分开示出。出于将激光二极管模块2583固定在适当位置的目的，激光架固定螺丝2608由螺纹孔凹槽2609容纳。

继续参见图21-24，在一些情况下，激光架2560的背侧表面包括凹槽2592，所述凹槽具有比安装板2580的长度、宽度和深度略大的长度、宽度和深度。因此，在安装板2580和激光架2560之间提供键连接，其中安装板2580被构造成当激光架经由所述安装板2580和线束接头2570安装到线束2502上时，兼容地位于凹槽2592内。安装磁体2585和互补磁体2595之间的磁性截面提供安装板2580和激光架2560之间的牢固但临时的连接。激光架2560还可包括底板2610，所述底板2610通过一个或多个扣件2612固定到激光架2560上。底板2610可移除以获得对隔室2582、导线2601/2603、电端子2597、和激光二极管2580的访问。在一些实施方式中，激光模块由玻璃盖板2584覆盖，所述玻璃盖板2584借助于硅氧烷粘合剂固定到激光架玻璃盖凹槽2586，从而形成防水密封。

在一些实施方式中，激光架2560还包括调平固定螺丝2561，其接合通过前表面2562的孔2563的内部螺纹。调平固定螺丝2561一般居中介于平面内互补磁体2595的位置之间，所述平面在磁体2595各中心轴对齐的平面上方或下方。因此，磁体2595和固定螺丝2561的相应位置在凹槽2592内形成三角形平面。所述三角形平面可以倾斜，从而通过调节固定螺丝2561来调节由激光二极管2580发射的扇形阵列的节距。电端子2581和2597之间的凹凸界面表面允许安装板2580和凹槽2592之间倾斜而不中断电连接。磁体2595和固定螺丝2561的三角形构造还允许专门调整激光架2560的节距。现在参见图23，在一些情况下，调平固定螺丝2561在距枢转中心2550为12英寸的水平距离处提供向上约1.5英寸和向下0.8英寸的激光束投影入射高度调节，所述枢转中心2550位于安装板电触头2587和2589内(还可参见截面图22)。

现在参见图25，示出了独立的激光二极管模块2583电源电路。电导线2591和2593与激光安装板端子2587和2589连接，所述激光安装板端子继而分别与架端子2598和2587接触。架插座引脚触头2605和2607分别与架端子2598和2597接触。正电导线2601连接到引脚插口2605并且负电导线2603连接到引脚插口2607和两个电导线分支以向并联布线的激光二极管2583供电。

说明性实施例

实施例1：中央瓶转移和包装工作站

提供中央瓶转移和包装工作站，其包括静止***，所述***提供用于将成品小瓶从样品托盘(例如，40个样品托盘或储存箱)转移到产品箱(例如，20个产品托盘或箱)的超冷工作区域。所述工作站包括由交联的闭孔HDPE泡沫制成的并容纳氮气锅炉、传感器、激光器和装置线束(即，用于支撑传感器和激光器的结构)的腔室。所述线束能够支撑六个电阻温度检测器(RTD)(例如，PyromationRTD)、四个通道扩展模块传感器(CEMS)、和提供指示超冷工作区的标线的一个或多个激光器。在一些情况下，RTD和CEMS通过导线连接至显示器和/或计算机***。在其它情况下，RTD和CEMS通过无线连接连接至显示器和/或计算机***。

当将***电源设定在打开位置时，CEMS和RTD开始实时温度监测和记录。当激光器电源设定在打开位置时，激光器照亮腔室内壁上的线性边界以对超冷工作区的上限的操作者进行指导。将腔室置于处于工作高度的桌上(例如，从地面到腔室的顶部为40”)。

腔室还包括视频图形记录仪和显示器(例如，ABBScreenMaster1000(SM1000))，以及带声光报警的叠塔灯以指示温度错误。在一些情况下，固态继电器(SSR)通过从视频图形记录仪发出的数字信号控制并用于激活叠塔灯的声光报警所需的较高电压。

对于便携式单元，腔室还包括容纳两个12V电池2460的电池盒。在一些情况下，电池盒2462或外壳根据NEMA4X规定构建。在一个实施方式中，提供具有约9.0英寸高度，约12.0英寸宽度和约7.0英寸深度的电池盒2462。

便携式单元还可包括24VDC锁定插座以用于对电池再充电。例如，提供15Amp，125V，NEMAML1P,2P带凸缘入口锁定插座，其包括扭紧的迷你锁定结构并且可操作性地连接至电池2460。插座是坚固耐用的，抗冲击、阳光、化学品和粗暴使用。另外，电池充电线还包括24VDC锁定插座。具体地讲，充电线包括15Amp，125V，NEMAML1P,2P锁定连接器，其安装在电池充电线上以在电池充电操作期间提供给安全连接。这些插座被配置成仅接受NEMAML1-C兼容插头，由此防止不兼容充电***。

便携式和/或非便携式单元还可包括与120和/或220V插座一起使用的电源和换流器。在一些情况下，借助于DC-DC或AC-DC转换器将12V电池或AC插座电源减小成3.3V电源，由此使用3.3V来操作激光器。

所述工作站还可包括前板，所述前板包括操作所述工作站的多个开关和其它控件。在一些情况下，前板位于视频图形记录仪上方。前板包括***电源开关，其控制所述工作站的“开”和“关”状态。该开关连接至工作站的电源以使得使用者能选择性控制除了激光器之外的工作站的所有电组件并对除了激光器之外的工作站的所有电组件充电。前板还包括激光器电源开关，其仅专用于操作激光器。因此，使用者可选择性地操作具有或不具有激光器的工作站。

RTD附接到装置线束上并且可操作性地连接至视频图形记录仪以监测并记录工作区内的温度变化。工作区高度由激光器产生的扩束激光来标记，其中所述扩束激光标记工作空间边界。在腔室内的温度达到视频图形记录仪上的温度极限设置时，带声光报警的叠灯塔向使用者提供听觉和/或视觉警告。

在一些情况下，提供具有三个操作水平的叠灯塔，即：1)绿灯区，其指示腔室的操作条件在设定规格内；2)黄灯区，其指示腔室的操作条件偏离设定规格；3)红灯区，其指示腔室的操作条件在基于设定规格的可接受范围之外，从而要求使用者立即采取行动。一般来讲，叠灯塔耦合至腔室的外表面或保持腔室的车，使得灯对使用者明显可见。在一些情况下，叠灯塔安装在保持腔室的车的后部，其中所述塔很好地处于使用者的视野内。

实施例2：多模块转移和包装工作站

提供多模块转移和包装工作站，其包括多个静止小瓶转移和包装工作站或模块，所述工作站或模块相互连接以提供单个完整的产品包装操作。还提供多模块转移和包装工作站，其包括多个移动小瓶转移和包装工作站或模块，所述工作站或模块相互连接以提供单个移动的完整产品包装操作。另外，提供多模块转移和包装工作站，其包括多个移动和静止小瓶转移和包装工作站或模块，所述工作站或模块相互连接和/或协同使用以提供单个完整的产品包装操作。在一些情况下，完整的产品包装操作包括四个小瓶转移和包装工作站。

移动和/或固定模块的腔室中的每一个均具有由边缘限定的开口。一般来讲，所述模块腔室的边缘设定在高于支撑所述模块的底面或地面的均匀工作高度处。在一些情况下，边缘设定在约28英寸至约50英寸的工作高度处。在其它情况下，边缘设定在约36英寸至约44英寸的工作高度处。在一个实施方式中，边缘设定在约40英寸的工作高度处。

腔室由高度耐用的HDPE泡沫材料组成。HDPE泡沫提供高度隔热环境以维持腔室内期望的工作温度。在一些情况下，腔室包括限定腔室的四个侧壁和基底。装置的侧壁和基底包括提供足够的隔热性以防止热转移至腔室外表面的壁厚。在一些情况下，腔室包括约2英寸至约8英寸的壁厚。在其它实施方式中，腔室包括约6英寸的壁厚。因此，当以期望的壁厚提供时，HDPE泡沫的隔热特性最佳地保持了腔室内期望的工作温度，并防止使用者在接触腔室外表面时烧伤。

实例3：冷冻柜塔架适配器

提供冷冻柜塔架适配器，其被设计成置于小瓶转移和包装工作站的腔室的底面上。所述适配器包括导热材料，诸如阳极化的铝，并包括多个凸起，所述凸起被隔开以允许在冷冻柜架水平放置在架适配器顶部上时，每个凸起精确***冷冻柜架的底部的单独开口中。单独的开口位于样品架的底部表面中。单独的开口具有允许凸起容易***通过但防止样品瓶通过的直径或横截面。

架适配器置于腔室的底面上并允许平衡至期望的工作温度。然后将冷冻柜架以水平取向置于架适配器上方使得凸起与样品架底部的单独开口对齐并***所述开口中。因为冷冻柜架下降在架适配器上方，所以凸起接触储存在冷冻柜架中的样品托盘，从而使样品托盘上升出其各自隔室并进入升高的位置中。使用者于是可容易地访问和抓持样品托盘以容易地从冷冻柜架转移至腔室。

实施例4：小瓶挑选手工工具

提供小瓶挑选手工工具，其被设计成允许使用者从样品托盘中拿起并移除单个小瓶并将小瓶转移到预定位在产品托盘中的空产品箱中。手工工具包括长柄部，所述长柄部使得使用者避免将手或手臂***超冷工作环境中从而向使用者提供保护和舒适性。

实施例5：产品箱密封手工工具

提供产品箱密封手工工具，其被设计成允许使用者在产品小瓶***纸箱中之后闭合产品箱的侧翼和盖子。手工工具包括长柄部，所述长柄部使得使用者能避免将手或手臂***超冷工作环境中，从而向使用者提供保护和舒适性。

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本发明可以其它特定形式例示而不脱离本文广义描述和下文权利要求中所要求保护的其结构、方法或其它必要特征。所述实施方式在所有方面均被认为仅是说明性的而不是限制性的。因此本发明的范围由所附权利要求指示，而不是由在前说明书指示。在权利要求的含义和等效范围内的所有变化均包含在其范围内。

Claims (37)

1.一种包括形成内部腔室的一个或多个侧面和具有开顶式表面的底面的容器，其中液密金属罐安装在内侧壁上或紧邻内侧壁安装，所述液密金属罐包括在罐顶部表面处的能够将气体直接排放到所述腔室中的至少一个开口。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述容器包含热导率小于0.2瓦每米开尔文的材料。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述材料包含交联的聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫或聚合物共混物泡沫。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述罐金属由以下材料组成或包含以下材料：钢、不锈钢、铜、铜合金、铝、或铝合金。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述罐包括一个或多个液体填充端口、液体流量控制机构、传感器安装件和传感器外壳。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中能将腔室温度调节至预定温度范围。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述装置包括液位传感器或温度传感器或这两者。

8.根据权利要求7所述的装置，其上附接管道、管路或重力滑槽以将液体引导到所述罐中。

9.根据权利要求8所述的装置，其上附接微处理器，所述微处理器接收来自液位传感器或温度传感器或这两者的电信号，并且将电信号输送至液体输送调节器。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述腔室包括一个或多个温度传感器以监测内部气体温度。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述温度传感器为热电偶或RTD传感器。

12.根据权利要求1所述的装置，对于所述装置而言，附接的外部液体制冷剂贮存器通过电流加压，所述电流通过浸没在所述液体中的电阻线圈，或其中所述液体制冷剂通过机械泵的作用而移动。

13.根据权利要求12所述的装置，其中液氮输送***包括有盖的重力滑槽。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述罐定位在所述内部腔室中使得所述罐开口的最低边缘不低于所述内部腔室高度的百分之七十五。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述罐具有一个或多个水平顶部边缘，由此从所述罐溢出的冷气体将从所述水平边缘下方的罐表面均匀落下。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述罐由长尺寸构成，所述长尺寸大于上面固定有所述罐的腔室壁的长度的百分之五十。

17.根据权利要求14所述的装置，其中所述罐内部包括能抑制或约束所述罐内部中的液体移动的可移除或永久性附接的挡板、筛网或多孔材料。

18.根据权利要求1所述的装置，其中台板覆盖所述腔体开口的一部分。

19.根据权利要求18所述的装置，其上面，一个或多个仪器、面板界面、控制特征、传感器、电子器件、数据记录仪、无线连接、功率连接件以及液氮输送端口和连接件固定到所述台板上。

20.一种***，其包括根据权利要求1-4所述的装置和激光安装***，所述激光安装***包括：

激光架，其包括与第一电端子电连接的激光二极管，并且还包括第一磁体；

安装板，其包括第二电端子和第二磁体，当激光架与所述安装板耦合时，所述第二电端子与第二磁体被定位成与所述第一电端子和所述第一磁体对齐；

线束接头，其具有用于容纳传感器线束的外表面的第一表面和用于容纳所述安装板的相对表面，所述线束接头***所述线束和所述安装板之间；以及

导线，其耦合至所述第二电端子。

21.根据权利要求20所述的***，其中所述激光二极管包括成对的激光二极管。

22.根据权利要求21所述的***，其中所述激光架的前表面包括平面，并且其中所述前表面的侧角边缘与所述前表面的平面向内形成在10°-50°范围内，任选地约30°的角度，并且其中所述激光二极管的中心轴线相对于所述前表面的平面成约30°的角度。

23.根据权利要求22所述的***，其中所述激光二极管包括定位在所述前表面的第一拐角上的第一激光二极管，和定位在所述前表面的第二拐角上的第二激光二极管，其中所述第一拐角与所述前表面上的第二拐角相对。

24.根据权利要求23所述的***，其中所述第一激光二极管的中心轴线和所述第二激光二极管的中心轴线之间的角度在20°-100°的范围内，任选地为约60°。

25.根据权利要求24所述的***，其中所述激光架能从所述安装板选择性地移除。

26.根据权利要求25所述的***，其中所述线束接头永久性附接到所述线束上。

27.根据权利要求26所述的***，其中所述安装板经由扣件能移除地耦合到所述线束接头。

28.根据权利要求27所述的***，其还包括介于所述安装板和所述激光架之间的磁性界面。

29.根据权利要求28所述的***，其还包括所述安装板和所述激光架之间的键连接。

30.一种用于形成具有填充有低温气体的开顶式腔体的容器的方法，其中所述气体的一部分处于低于-80摄氏度的温度，所述方法包括蒸发固定到容器壁的金属罐内的液氮，并且将氮蒸气直接排放到容器腔体中。

31.根据权利要求30所述的方法，其中通过控制所述罐中所包含的制冷剂的含量来调节所述容器腔室气体的温度。

32.根据权利要求30所述的方法，其中所述氮蒸气以一定的方式排出使得，所述容器腔体内的气体以相对于使用相同罐在置于所述腔室底面上时所包含的液氮所获得的速率增加的速率混合。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述腔室内的气体温度的均匀度通过所述金属罐中的气体流出物的混合效果来增大。

34.根据权利要求30所述的方法，其中，所述腔室温度处于与相同罐在置于腔室底面上时相比降低的温度下。

35.根据权利要求30所述的方法，其中锅炉中的气流增加较热腔体气体对液氮表面的暴露。

36.根据权利要求30所述的方法，其中，相对于使用相同罐内在置于所述腔室的底面上时所包含的液氮获得的清晰度，所述腔室内的工作空间的视觉清晰度通过从所述腔室边缘溢出的腔室腔体内的气体喷射经被气体悬浮的凝固水蒸气而改善。

37.根据权利要求30所述的方法，其中暴露于所述锅炉的所述腔室的气体含量通过从锅炉落入引力场中的气体流出物的动量而增加。