CN114071810A - 用于制造ptc加热元件的方法和ptc加热元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造PTC加热元件的方法，所述PTC加热元件包括至少一个PTC构件和在至少一个PTC构件的至少一个侧面上与至少一个PTC构件紧固连接的支撑件，该方法包括措施：a)将导电的烧结材料施加到至少一个PTC构件的要与支撑件紧固连接的至少一个侧面上或/和施加到要与至少一个PTC构件连接的至少一个支撑件上，b)在实施措施a)之后，建立至少一个PTC构件与至少一个支撑件的接触，使得在措施a)中施加的设置用于建立在所述一个PTC构件和至少一个支撑件之间的连接的烧结材料定位在至少一个PTC构件和至少一个支撑件之间，c)通过加热或/和施加压力对在措施b)中定位在至少一个PTC构件和至少一个支撑件之间的烧结材料进行烧结。

Description

用于制造PTC加热元件的方法和PTC加热元件
技术领域
本发明涉及一种用于制造PTC加热元件的方法以及一种例如用这种方法制造的PTC加热元件。
背景技术
在车辆构造中，使用PTC加热元件用于加热气态的或液态的介质，例如以便将热量传递到要导入到车辆内部空间中的空气上。在此，PTC加热元件的应用主要在纯电动运行的车辆中，在所述纯电动运行的车辆中其他的热源(例如内燃机或者用燃料运行的加热器)不可用。这种PTC加热元件也应用于其他领域中、例如用于加热列车或用于加热燃料电池。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于制造PTC加热元件的方法以及一种PTC加热元件，利用所述方法和PTC加热元件能简单且低成本地实施制造过程，实现PTC加热元件的高效的加热运行。
所述目的通过一种用于制造PTC加热元件的方法来解决，该PTC加热元件包括至少一个PTC构件和在所述至少一个PTC构件的至少一个侧面上与所述至少一个PTC构件紧固连接的支撑件，该方法包括如下措施：
a)将导电的烧结材料施加到至少一个PTC构件的要与支撑件紧固连接的至少一个侧面上或/和施加到要与所述至少一个PTC构件连接的至少一个支撑件上，
b)在实施措施a)之后，建立所述至少一个PTC构件与至少一个支撑件的接触，使得在措施a)中施加的设置用于建立在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间的连接的烧结材料定位在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间，
c)通过加热或/和施加压力对在措施b)中定位在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间的烧结材料进行烧结。
按照本发明的用于制造PTC加热元件的处理方式一方面结合如下方面，即，对于制造方法和另一方面结合对于这样制造的PTC加热元件的运行特别有利的不同的方面。通过使用导电的烧结材料来建立在一个或多个PTC构件与至少一个支撑件之间的紧固连接实现如下可能性，即通过同一个材料层(即设置在相应的PTC构件和支撑件之间且在烧结后硬化的烧结材料)不仅提供机械连接、而且提供导电连接。不需要特别是可能影响导热和因此影响加热效率的附加的材料层。此外，按照本发明的方法利用如下重要的优点，即，这种导电的烧结材料通常是非常良好的热导体，从而不仅利用定位在PTC构件和支撑件之间的数量非常少的材料层可以产生紧固连接，而且为此使用仅轻微影响在PTC构件和支撑件之间的热传导的材料，该材料此外具有高热阻。另一个优点在于不需要应复杂实施的连接工作步骤来建立在PTC构件和支撑件之间的紧固连接。
为了一方面获得尽可能薄的整体结构，所述整体结构尽可能少地损害从PTC加热元件出来的热传导，另一方面能够确保足够的机械稳定性，规定：在措施a)中施加到所述至少一个PTC构件的至少一个侧面上或/和施加到至少一个支撑件上的设置用于建立在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间的连接的烧结材料施加有5μm至20μm、优选大致10μm的层厚度。这意味着，当烧结材料不仅施加到PTC构件的一个侧面上、也施加到要与PTC构件在该侧面上连接的支撑件上以便建立设置在它们之间的烧结材料的连接时，定位在PTC构件和支撑件之间的烧结材料的厚度是两倍的层厚度，即例如在10μm至40μm的范围内、优选大致为20μm。
为了设置三明治形地设置在两个支撑件之间且与所述两个支撑件分别紧固连接的PTC构件，又提出：在措施a)中在所述至少一个PTC构件的两个相互背离地定向的侧面上施加设置用于建立在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间的连接的烧结材料，或/和在措施a)中在要与所述至少一个PTC构件在所述至少一个PTC构件的两个相互背离定向的侧面上连接的两个支撑件上施加设置用于建立在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间的连接的烧结材料。
为了在加热模式下能够激发PTC加热元件以用于发出热量，需要与所述PTC加热元件电接触导通。为此可以规定：在措施a)中在至少一个支撑件上、优选在两个支撑件上在要面向所述至少一个PTC构件定位的侧面上施加设置用于建立在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间的连接的烧结材料，并且在所述至少一个支撑件或所述两个支撑件的要背离所述至少一个PTC构件定位的侧面上施加设置用于提供至少一个接触区的烧结材料，在设置用于建立在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间的连接的烧结材料和设置用于提供至少一个接触区的烧结材料之间形成至少一个烧结材料连接区域，并且在措施c)中通过加热或/和施加压力对设置用于提供至少一个接触区的烧结材料和所述至少一个烧结材料连接区域进行烧结。
通过如下方式能实现非常有效地利用从PTC构件在电激励时发出的热量，即，所述至少一个支撑件在其要面向所述至少一个PTC构件定位的侧面上具有PTC构件连接表面区域，在所述PTC构件连接表面区域中所述至少一个支撑件能与所述至少一个PTC构件通过在措施a)中施加的、设置用于建立在所述至少一个PTC构件和所述至少一个支撑件之间的连接的烧结材料进行连接，所述至少一个支撑件在其要背离所述至少一个PTC构件定位的侧面上具有至少一个接触区表面区域，在所述至少一个接触区表面区域中通过在措施a)中施加的用于提供至少一个接触区的烧结材料能形成至少一个接触区，并且所述至少一个接触区表面区域和PTC构件连接表面区域至少局部地、优选完全地不重叠。因此，所述设置用于电接触导通的至少一个接触区表面区域不重叠或不覆盖PTC构件的通过烧结材料与一个或多个支撑件连接的区域并且因此不损害从PTC构件到要加热的介质的放热。
为了能够保证PTC构件或支撑件的均匀的且全表面的涂层和因此保证在PTC构件与支撑件之间的相应均匀且全表面的连接，规定在措施a)中通过丝网印刷施加烧结材料。应指出，丝网印刷作为对于施加可流动的、如糊状材料的特别简单的且还精确实施的处理方式的示例被提及。也可以使用用于施加这种可流动的、如糊状材料的另外的处理方式，例如将这种材料施加到要涂层的表面上并且借助刮板或这种工具将可流动材料分布在该表面上。
例如可以通过如下方式确保高机械稳定性且同时具有良好的导电性和导热性，即，在措施a)中施加的烧结材料包含金属材料。在此已被证明是特别有利的是，使用包含银和/或铂的金属材料。
尤其是当烧结材料包括含银和/或铂的金属材料时，为了实施烧结过程，在措施c)中可以将烧结材料加热到200℃至300℃的范围内的温度、优选大致250℃的温度。在这样相对低的温度下实施烧结过程确保，避免由于过度加热引起的在PTC构件的结构材料方面的结构变化，该结构变化可能损害所述PTC构件的功能。
为了与一个或多个PTC构件之间的面状的接触，所述至少一个支撑件可以构造成板状的。为了能够提供这种本身作为电绝缘体、然而具有良好的热导体的支撑件，又提出所述至少一个支撑件构造有陶瓷材料。例如这种支撑件可以构造有氧化铝(Al2O3)。
为了能够实现对所述至少一个PTC构件的基本上完全的封装，又提出，在措施b)中在要与所述PTC构件连接的两个支撑件之间的所述至少一个PTC构件设置有相应地定位于所述两个支撑件之间的烧结材料，所述烧结材料设置用于建立在所述至少一个PTC构件和所述两个支撑件中的一个相应的支撑件之间的连接，使得所述至少一个PTC构件被设置在所述两个支撑件之间的框架至少部分地包围，所述框架的材料厚度不大于、优选小于所述至少一个PTC构件的厚度。因为框架的在支撑件之间(在所述支撑件之间容纳框架)的方向上测量的材料厚度至少不大于PTC构件的在所述两个支撑件之间测量的厚度，所以实现所述两个支撑件(在所述两个支撑件之间容纳这种PTC构件)的定位和因此与PTC构件的连接强度不由于设置在所述支撑件之间的框架而被损害。
为了能简单实施的制造过程，在将所述PTC构件设置在所述两个支撑件之间之前，将框架和要与所述至少一个PTC构件连接的所述两个支撑件中的一个支撑件相连接。
开头提到的目的还通过一种PTC加热元件实现，该PTC加热元件包括至少一个PTC构件和在所述至少一个PTC构件的至少一个侧面上、优选在相互背离定向的两个侧面上与所述PTC构件通过导电的烧结材料紧固连接的支撑件。例如可以利用按照本发明的方法来制造这种PTC加热元件。
附图说明
下面结合各附图详细地描述本发明。图中：
图1以透视图示出PTC加热元件；
图2以分解图示出图1中的PTC加热元件；
图3示出要通过烧结材料与支撑件连接的PTC构件的纵向剖视图；
图4a)和b)示出接触区的设计方案的备选方案。
具体实施方式
图1以透视图示出PTC加热元件10，所述PTC加热元件可以用于不同的要加热的***、例如电动运行车辆、列车、燃料电池或类似物。在图2中以分解图示出的基本上构造为板状的PTC加热元件10构造有两个板状的支撑件14、16。这两个板状的支撑件14、16例如由陶瓷材料、如氧化铝构造。在这两个板状的支撑件14、16之间，被例如同样由陶瓷材料、例如氧化铝构造的框架18包围的、在电激发时生成热量的PTC构件20例如同样设置有板状的形状。框架18具有适配于PTC构件20的外周轮廓和外部尺寸的开口22，并且在所述框架的外周区域中优选这样成形和确定尺寸，使得所述框架在组装时与设置在所述框架两侧的两个支撑件14、16基本上齐平，亦即从侧向不向外突出或后缩。
为了建立PTC构件20与所述两个支撑件14、16的紧固的且也允许电接触导通的连接，按照下述方式和方法使用含金属的烧结材料、例如包含银和/或铂的烧结材料。PTC构件20在其两个相互背离定向的且分别要与所述支撑件14、16中的一个支撑件连接的侧面24、26上包覆有可流动的、如糊状的烧结材料28、30。这例如可以以丝网印刷工艺或在使用刮板或这种工具的情况下进行，从而要与所述支撑件14、16中的一个支撑件连接的整个侧面24、26基本上相应地包覆有烧结材料28、30。
同样地，所述两个支撑件14、16中的每一个支撑件在其要面向PTC构件20定位的或者说要与所述PTC构件连接的侧面32、34上包覆有烧结材料36、38。在此，支撑件14、16的在图3中结合支撑件14所示的PTC构件连接表面区域V基本上被包覆，在该PTC构件连接表面区域中所述支撑件应与PTC构件20相连接。在所示的实施例中，支撑件14、16的基本上被框架18覆盖的边缘区域40、42在支撑件14、16的三个侧面上保持裸露，即未涂层。在边缘区域40、42的一部分中，施加到支撑件14、16上的烧结材料延长超过PTC构件连接表面区域V，例如直到支撑件14、16的相应的端面44、46的区域中。在支撑件14、16的边缘区域40、42的该部分中，在支撑件14、16的要背离于PTC构件20定位的侧面48、50上也施加烧结材料36’，以便在接触区表面区域K中形成用于建立PTC构件20的电接触导通的接触区52、54。这在图3中结合要形成在支撑件14上的接触区52示出。相应的设计方案也可结合在图3中未示出的支撑件16来实现。
为了建立在设置在支撑件14、16的所述两个侧面32、48或34、50上的烧结材料36、36’之间的连接，设有在图3中结合支撑件14能看出的烧结材料连接区域56，该烧结材料连接区域例如可以通过如下方式形成，即在相应的支撑件14、16中设置有一个或多个开口58，这些开口填充有烧结材料36”，从而在支撑件14、16的设置在要面向PTC构件20定位的侧面32或34上的烧结材料36或38与在相应地要背离于PTC构件20定位的侧面48、50上设置用于提供相应的接触区52、54的烧结材料36’之间形成连接。因此，在所述支撑件14、16的每个支撑件上形成烧结材料的一致的复合物(Verbund)。
在图4中示出烧结材料连接区域56的备选的设计方案。图4a)示出烧结材料连接区域56的设置，所述烧结材料连接区域具有跨越支撑件14的端面44的烧结材料36”，从而设置在支撑件14上的烧结材料36、36”、36’为了提供在接触区表面区域K中的接触区52而在所述支撑件的端面44的区域中U形地环绕所述支撑件14。图4b)示出与图3的设计方案相对应的结构，在其中烧结材料连接区域56的烧结材料36”设置在开口58中，然而仅润湿所述开口的表面而因此不将所述开口完全填充。
因此，如在图3和4中所示的那样，所述两个支撑件14、16中的每个支撑件可以构成用于提供相应的烧结材料连接区域56，优选在烧结材料连接区域56的设计方案方面所述两个支撑件14、16相同地构造。原则上，所述两个支撑件14、16的烧结材料连接区域56可以彼此不同地设计。
在PTC构件20在其两个侧面24、26上涂覆烧结材料28、30，并且所述两个支撑件14、16分别在其PTC构件连接表面区域V、在其接触区表面区域K和连接这两个表面区域的区域中涂覆烧结材料之后，例如可以将框架18与所述两个支撑件14、16中的一个支撑件紧固连接(例如通过在相应的边缘区域40、42的未包覆烧结材料36、38的部分中粘接或类似方式)。然后可以将在所述PTC构件的两个侧面24、26上涂覆有烧结材料28、30的PTC构件20放置在该支撑件/框架复合物上或将其***到框架18的开口22中，从而PTC构件20以设置在PTC构件的两个侧面24、26中的一个侧面上的烧结材料28、30与在支撑件14或16(所述支撑件已经与框架18连接)上设置在PTC构件连接表面区域V中的烧结材料36或38相接触。接着这样放置所述两个支撑件14、16中的另一个支撑件，使得实现在图1中所示的三明治形的复合物，并且设置在该复合物的PTC构件连接表面区域V中的烧结材料36或38与设置在PTC构件20的仍裸露的侧面24或26上的烧结材料24或26相接触。为了在此实现导致全表面且稳定的连接接触的层压，所述框架18构造有在所述两个支撑件14、16之间测得的如下厚度，该厚度至少不大于未涂层的PTC构件20的材料厚度，优选小于该材料厚度。
在实现所述两个支撑件14、16和被框架18包围的PTC构件20的这种三明治形的层压之后，通过加热对烧结材料36、36’、36”和38进行烧结。必要时例如通过加载所述两个支撑件14、16也可以彼此相向地施加辅助烧结过程的压力。通过有利地使用包含银或/和铂的烧结材料，当实施烧结过程时在此只需加热到约250°的范围内的温度。这一方面确保分别设置在支撑件14、16和PTC构件20上的烧结材料36、36’、36”、38、28、30形成稳定的连接，但另一方面也避免在PTC构件20内部由于过度加热引起的且可能损害PTC构件20的功能的结构转变。
在实施烧结过程并且冷却这样制造的PTC加热元件10之后，例如当PTC加热元件10结合要加热的液体使用时，于是可以将在所述支撑件14、16中的一个或两个支撑件与框架18之间可能仍然存在的缝隙状的间隙进行密封。
借助上述用于制造PTC加热元件的方法利用能简单实施的过程来实现PTC加热元件10的简单的结构构造，其中为了建立在PTC构件和要设置在所述PTC构件上的两个支撑件14、16之间的机械连接和导电连接，仅设置具有烧结材料的相对薄的涂层。该涂层的厚度可以约为10μm，从而即使当在所述支撑件14、16中的每个支撑件以及PTC构件20的相应配置的侧面24、26上分别设置有这种具有烧结材料36、28或38、30的涂层时，建立所述连接的烧结材料层的总厚度也相对较薄。优选构造有陶瓷材料的支撑件14、16也是有助于高效率的良好的热导体。
在利用根据本发明的处理方式制造的PTC加热元件10的另外的重要的优点在于，这如图3所示的那样，PTC构件相对于所述两个支撑件14、16这样定位，使得PTC构件连接表面区域V不与相应的接触区表面区域K重叠。这意味着，在PTC加热元件10中，PTC构件20也不与接触区52、54重叠，优选与所述接触区间隔开地设置。这提供如下可能性，即利用支撑件14、16的与PTC构件20相连接的整个区域将热量传递到要加热的介质上。这一方面避免在三明治形的结构内部形成热量积聚，并且另一方面导致这样构造的PTC加热元件的高效率，因为在很大程度上排除热量传导到实际上不用于加热要加热的介质的区域中。也有助于高效率的是，用于建立导电连接和机械连接的材料是金属材料或包含金属材料并且因此具有高导热性或低热阻，此外，如上所述建立所述连接的材料也还非常薄。
应该指出，在用于制造PTC加热元件的上述处理方式中，不同的变形方案也是可能的。因此例如可能的是，利用上述处理方式将多个PTC构件设置在两个支撑件之间。为此，配置给要设置在所述两个支撑件之间的每个PTC构件的框架例如可以具有容纳所述PTC构件的开口。此外可以规定，设置用于建立PTC构件的电接触导通的所述两个接触区设置在所述两个支撑件中的一个支撑件上，而在另一个支撑件上不存在这种接触区。所述两个接触区例如可以设置在构成有矩形的周向轮廓的所述两个支撑件中的一个支撑件的彼此间隔开的短边上。为了在此避免由于在所述两个支撑件中的一个支撑件上提供这种接触区的烧结材料或所烧结的材料引起的电短路，所述烧结材料在所述两个接触区之间的纵向区域中在PTC构件连接表面区域中可以具有中断，从而强迫电流穿过PTC构件。在另外的备选的处理方式中，例如也可以规定，仅在支撑件区域中用烧结材料进行涂覆，将在烧结过程中随后要与所述支撑件连接的PTC构件以其要面向相应的支撑件定位的侧面放置到设置在支撑件上的烧结材料上。

Claims (13)

1.用于制造PTC加热元件的方法，所述PTC加热元件(10)包括至少一个PTC构件(20)和在所述至少一个PTC构件(20)的至少一个侧面(24、26)上与所述至少一个PTC构件(20)紧固连接的支撑件(14、16)，所述方法包括如下措施：
a)将导电的烧结材料(28、30、36、38)施加到至少一个PTC构件(20)的要与支撑件(14、16)紧固连接的至少一个侧面(24、26)上或/和施加到要与所述至少一个PTC构件(20)连接的至少一个支撑件(14、16)上，
b)在实施措施a)之后，建立所述至少一个PTC构件(20)与至少一个支撑件(14、16)的接触，使得在措施a)中施加的设置用于建立在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间的连接的烧结材料(28、30、36、38)定位在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间，
c)通过加热或/和施加压力对在措施b)中定位在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间的烧结材料(28、30、36、38)进行烧结。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在措施a)中施加到所述至少一个PTC构件(20)的至少一个侧面或/和施加到至少一个支撑件(14、16)上的设置用于建立在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间的连接的烧结材料(28、30、36、38)施加有5μm至20μm、优选大致10μm的层厚度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在措施a)中在所述至少一个PTC构件(20)的两个相互背离地定向的侧面(24、26)上施加设置用于建立在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间的连接的烧结材料(28、30)，或/和在措施a)中在要与所述至少一个PTC构件(20)在所述至少一个PTC构件(20)的两个相互背离地定向的侧面(24、26)上连接的两个支撑件(14、16)上施加设置用于建立在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间的连接的烧结材料(36、38)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在措施a)中在至少一个支撑件(14、16)上在要面向所述至少一个PTC构件(20)定位的侧面(32、34)上施加设置用于建立在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间的连接的烧结材料(36、38)，并且在所述至少一个支撑件(14、16)的要背离所述至少一个PTC构件(20)定位的侧面(48、50)上施加设置用于提供至少一个接触区(52、54)的烧结材料(36’)，在设置用于建立在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间的连接的烧结材料(36、38)与设置用于提供至少一个接触区(52)的烧结材料(36’)之间形成至少一个烧结材料连接区域(56)，并且在措施c)中通过加热或/和施加压力对设置用于提供至少一个接触区(52)的烧结材料(36”)和所述至少一个烧结材料连接区域(56)进行烧结。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一个支撑件(14、16)在其要面向所述至少一个PTC构件(20)定位的侧面(32、34)上具有PTC构件连接表面区域(V)，在所述PTC构件连接表面区域(V)中所述至少一个支撑件(14、16)能与所述至少一个PTC构件(20)通过在措施a)中施加的设置用于建立在所述至少一个PTC构件(20)和所述至少一个支撑件(14、16)之间的连接的烧结材料(36、38)来连接，所述至少一个支撑件(14、16)在其要背离所述至少一个PTC构件(20)定位的侧面(48、50)上具有至少一个接触区表面区域(K)，在所述至少一个接触区表面区域(K)中通过在措施a)中施加的用于提供至少一个接触区(52)的烧结材料(36’)能形成至少一个接触区(52)，并且所述至少一个接触区表面区域(K)和PTC构件连接表面区域(V)至少局部地、优选完全地不重叠。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，在措施a)中通过丝网印刷来施加所述烧结材料(28、30、36、36’、36”、38)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在措施a)中施加的烧结材料(28、30、36、36’、36”、38)包含金属材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属材料包括银和/或铂。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在措施c)中将烧结材料(28、30、36、36’、36”、38)加热到200℃至300℃的范围内的温度、优选大致250℃的温度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个支撑件(14、16)构造成板状的，或/和所述至少一个支撑件(14、16)构造有陶瓷材料。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，在措施b)中利用烧结材料(28、30、36、38)将所述至少一个PTC构件(20)设置在要与所述PTC构件连接的两个支撑件(14、16)之间，所述烧结材料相应地定位于所述两个支撑件之间、设置用于建立在所述至少一个PTC构件(20)与所述两个支撑件(14、16)中的一个相应的支撑件之间的连接，使得所述至少一个PTC构件(20)被设置在所述两个支撑件(14、16)之间的框架(18)至少部分地包围，所述框架(18)的材料厚度不大于、优选小于所述至少一个PTC构件(20)的厚度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在将所述PTC构件(20)设置在所述两个支撑件(14、16)之间之前，将框架(18)和要与所述至少一个PTC构件(20)连接的所述两个支撑件(14、16)中的一个支撑件相连接。
13.PTC加热元件，包括至少一个PTC构件(20)和在所述至少一个PTC构件(20)的至少一个侧面(24、26)上、优选在两个相互背离地定向的侧面(24、26)上与所述PTC构件通过导电的烧结材料紧固连接的支撑件(14、16)。
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