CN210441447U - 温度控制装置及*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种温度控制装置及***，涉及温度控制技术领域。该装置通过加热组件绕设于管道外侧，加热组件与管道之间填充有相变储热材料；第一温度传感器设置于管道内壁上，用于测量管道内流体的温度；第二温度传感器设置于加热组件外壁上，用于测量管道外流体的外界环境温度；控制电路与加热组件、散热组件、第一温度传感器、第二温度传感器均电连接，需要控温的流体进入管道之后，在需要升温或降温时，根据设定温度和第一温度传感器所测量的流体温度，控制电路可以驱动加热组件或散热组件工作，并通过第二温度传感器和相变储热材料的辅助作用，可以在流体的温度控制过程中避免实际温度会超过设定温度现象的发生。

Description

温度控制装置及***

技术领域

本实用新型涉及温度控制技术领域，特别涉及一种温度控制装置及***。

背景技术

温度表征物体冷热程度，其定义由热力学给出，它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切的关系，几乎没有不要求温度控制的生产过程和科学研究，因此，温度控制装置被广泛应用在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域。

现有的温度控制装置主要基于比例-积分-导数(Proportion IntegralDifferential，PID)电路，通过PID电路控制温度控制装置达到预设的温度值。

但现有的基于PID电路的温度控制装置，由于PID控制的原理是滞后控制，以升温过程为例，只有当测量到温度控制装置的实际温度已经超过或快要超过设定温度时，才会开始降低加热功率，而此时加热单元仍然在传输热量，导致实际温度会超过设定温度，存在“飞温”现象。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种温度控制装置及***，用于解决现有技术温度控制过程中实际温度会超过设定温度的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种温度控制装置，包括：管道、加热组件、散热组件、第一温度传感器、第二温度传感器及控制电路；加热组件绕设于管道外侧，加热组件与管道之间填充有相变储热材料；第一温度传感器设置于管道内壁上；第二温度传感器设置于加热组件外壁上；控制电路与加热组件、散热组件、第一温度传感器、第二温度传感器均电连接。

可选地，上述相变储热材料包括石蜡、合金粉末及石墨。

可选地，上述相变储热材料在加热组件与管道之间的填充厚度为0.5-10mm。

可选地，上述加热组件为电阻丝，电阻丝绕设于管道外侧。

可选地，上述电阻丝在管道外侧呈网状、方格状或平行排布。

可选地，上述散热组件为散热风扇，控制电路用于驱动散热风扇工作。

可选地，上述管道为蛇形弯曲的管道。

可选地，上述第一温度传感器包括多个，多个第一温度传感器均匀分布于管道内壁上。

可选地，上述第二温度传感器包括多个，多个第二温度传感器均匀分布于加热组件外壁上。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种温度控制***，包括上述第一方面的温度控制装置。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型实施例提供的温度控制装置和***中，加热组件绕设于管道外侧，加热组件与管道之间填充有相变储热材料；第一温度传感器设置于管道内壁上，用于测量管道内流体的温度；第二温度传感器设置于加热组件外壁上，用于测量管道外流体的外界环境温度；控制电路与加热组件、散热组件、第一温度传感器、第二温度传感器均电连接，需要控温的流体进入管道之后，第一温度传感器可以测量到流体的温度，在需要升温时，根据第一温度传感器所测量的温度和设定的温度，控制电路可以驱动加热组件进行加热升温，并根据第一温度传感器的温度和第二温度传感器的温度，控制电路可以调节加热组件的加热功率大小，在达到预设目标温度时，相变储热材料可以吸收由于控制滞后所继续散发的残余热量；在需要降温时，根据第一温度传感器所测量的温度和设定温度，相变储热材料可以吸收流体的热量，当管道内流体的温度达到设定温度时，控制电路可以驱动散热组件工作，相变储热材料中储存的热量可以被散发，并根据第一温度传感器的温度和第二温度传感器的温度，控制电路可以调节散热组件的散热功率，依靠相变储热材料内部的热量扩散缓缓将管道内流体的温度恒定在预设温度，可以在流体的升温或降温的温度控制过程中避免实际温度会超过设定温度现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种温度控制装置的侧面结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种温度控制装置的截面结构示意图。

图标：1-管道；2-相变储热材料；3-加热组件；4-散热组件；5-第二温度传感器；6-第一温度传感器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1为本实用新型实施例提供的一种温度控制装置的侧面结构示意图。图2为本实用新型实施例提供的一种温度控制装置的截面结构示意图。如图1和图2所示，该装置包括：管道1、加热组件3、散热组件4、第一温度传感器6、第二温度传感器5及控制电路(未示出)。

加热组件3绕设于管道外侧，加热组件3与管道1之间填充有相变储热材料2；第一温度传感器6设置于管道内壁上；第二温度传感器5设置于加热组件3外壁上；控制电路与加热组件3、散热组件4、第一温度传感器6、第二温度传感器5均电连接。

其中，管道1可以是圆管、方管等，本申请在此并不对该管道1的截面形状进行限定，当然，本申请在此并不对管道1的长度和直径进行限定，根据实际的需要可以选择自行选择。按照管道1中流体的流动方向，管道1可以分为管道进口和管道出口，需要控温的流体可以从管道进口流入，在管道1中流动时与管壁进行热交换，从管道出口流出时，即达到所需的温度。

第一温度传感器6设置于管道内壁上，直接与管道腔体中的流体接触，用于测量管道腔体中流体的温度，可选地，可以采用螺口式插口固定在管道内壁上，该第一温度传感器6可以选择密封性好，高精度的温度传感器，其中，密封性好可以避免第一温度传感器6与流体接触被损坏的情况，可选地，第一温度传感器6的传感器探头表面可以经过聚四氟乙烯涂层处理，增强其耐腐蚀性；高精度可以使得采用第一温度传感器6可以测量到较为精确的流体温度。

第二温度传感器5设置于管道外侧，主要用于测量管道外流体的外界环境温度，可以与上述第一温度传感器6相互作用，可以在流体的温度控制过程中，根据第一温度传感器6所采集的管道1内流体的温度和第二温度传感器5所采集的管道1外流体的外界环境温度，可以对加热组件3的加热功率进行调节，或散热组件4的散热功率进行调节，避免实际温度会超过设定温度现象的发生。

加热组件3与控制电路电连接，用于对管道腔体中的流体进行升温；散热组件4与控制电路电连接，用于对管道腔体中的流体进行降温，其中，该加热组件3可以是电阻丝、电热管等，绕设于管道外侧，散热组件4可以是电风扇、换气扇等，设置于管道1侧面，本申请在此并不限定加热组件3和散热组件4的具体单元，根据实际的应用场景可自行选择。

控制电路可以获取第一温度传感器6、第二温度传感器5采集的温度参数，并根据该温度参数以及需要控温的流体设定的温度，驱动上述加热组件3或散热组件4工作进行升温或降温，可选地，该控制电路可以基于微处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、PID控制器等实现，本申请在此不作限定。

相变储热材料2具有相变点，可以在温度达到相变点时能够把过程余热吸收并储存起来，在需要时可以再把它释放出来的材料，可以由石蜡、合金粉末及石墨等按照一定的比例混合而成。

上述温度控制装置中相变储热材料2对管道1中的流体进行温度控制的过程如下，以升温过程为例，其工作过程为：控制电路与加热组件3电连接，可以驱动加热组件3工作，当加热组件3加热至设定温度(相变储热材料2的相变点)时，控制滞后所继续散发的残余热量能够被相变储热材料2所吸收，并且由于相变储热材料2可以通过自身相态发生变化来储存和释放热量，在这个过程中材料自身的温度几乎维持不变，可以在实现在目标温度点上的精确控温，而且能够对于被控温的流体的温度发生快速变化时，相变储热材料2可以进行流体与设定温度之间的温度/热量快速补偿，恒温效果的抗干扰能力强。

例如，管道腔体直径为6mm，总长度为2.5m，管道1中的流体为水时，经第一温度传感器6测量管道1中水的温度为40℃，现需要控制管道1中水的温度为60℃，可以选择相变储热材料2中，石蜡主要成分的分子式为C₂₈H₅₈，质量分数为71.5％，金属铜质量分数为8.5％，石墨的质量分数为20％，根据设定的温度，升温过程中可以先通过控制电路驱动加热组件3工作，对管道1中的水温进行升温，当第一温度传感器6器测量到管道1中水的温度达到相变储热材料2相变点(60℃)温度，开始吸收加热组件3散发的热量，未被吸收的热量则被流体吸收，使流体接收到的热量大大减少，流体的温度不会超过其设定的60℃。

综上所述，本申请所提供的温度控制装置中，加热组件绕设于管道外侧，加热组件与管道之间填充有相变储热材料；第一温度传感器设置于管道内壁上；第二温度传感器设置于加热组件外壁上；控制电路与加热组件、散热组件、第一温度传感器、第二温度传感器均电连接，需要控温的流体进入管道之后，第一温度传感器可以测量到流体的温度，在需要升温时，控制电路根据所测量的温度和设定的温度可以驱动加热组件进行加热升温，并通过测量第一温度传感器的温度和第二温度传感器的温度，控制电路可以调节加热组件的加热功率，在达到预设目标温度时，相变储热材料可以吸收由于控制滞后所继续散发的残余热量，达到精确控温的目的；在需要降温时，根据第一温度传感器的所测量的温度和设定温度，相变储热材料可以吸收流体的热量，在达到一定温度时，控制电路可以驱动散热组件工作进行降温，并通过测量第一温度传感器的温度和第二温度传感器的温度，控制电路可以调节散热组件的散热功率，依靠相变储热材料内部的热量扩散缓缓将管道内流体的温度恒定在预设目标温度，可以在流体的升温或降温的温度控制过程中避免实际温度会超过设定温度现象的发生。

可选地，上述相变储热材料2包括石蜡、合金粉末及石墨。

可选地，相变储热材料2可以由石蜡、合金粉末及石墨等按照一定的比例混合而成，根据管道1内流体所需的控温区间可以有所不同，使得可以达到对流体的目标控温温度进行相变储热和控温缓冲的目的。其中，石蜡的主要分子式可以为C₂₈H₅₈、C₃₀H₆₂等；合金粉末可以包括Cu，Sn，Bi，Zn等合金，根据管道1内流体的不同，可选择相应比例的相变储热材料2，本申请在此不作具体限制。

比如，流体为水，水的控温区间为20-100℃，相变储热材料2可以选择石蜡主要成分的分子式为C₂₈H₅₈，质量分数为71.5％，金属铜质量分数为8.5％，石墨的质量分数为20％；烃类及水蒸气的控温区间为100-200℃，例如，流体为非甲烷总烃(NMHC)，其相变储热材料2可以选择石蜡主要成分的分子式为C₃₀H₆₂，质量分数为23.7％，金属合金的质量分数为68.3％，其中为Bi(56％)-Sn(40％)-Zn(4％)的复合物，石墨的质量分数为8％；根据不同流体的控温区间，可以选择合适的石蜡、合金粉末、石墨的比例和种类，本申请在此不作具体限制。

可选地，上述相变储热材料2在加热组件3与管道1之间的填充厚度为0.5-10mm。

其中，根据实际的应用场景，相变储热材料2在加热组件3与管道1之间的填充厚度可以选择0.5-10mm之间的任意厚度，使得当用于管道1中流体的升温时，当加热组件3加热至设定温度，控制滞后所继续散发的残余热量能够被相变储热材料2充分吸收，或，当用于管道1中流体的降温时，可以先通过相变储热材料2吸收流体所散发的热量，根据降温的需要，然后再采用散热组件4进行降温，可以避免控温过程中“飞温”现象的发生。

可选地，上述加热组件3为电阻丝，电阻丝绕设于管道外侧。

可选地，上述电阻丝在管道外侧呈网状、方格状或平行排布。

其中，加热组件3为电阻丝时，电阻丝可以通过绕设的方式设于管道外侧，电阻丝与控制电路电连接，控制电路可以驱动电阻丝工作发热，热量可以通过管道侧壁传递到管道腔体中的流体，流体吸收该热量可以实现升温的目的。当然，本申请在此也并不限定电阻丝的设置方式，可以是呈网状、方格状或平行排布中一种或多种的方式设置在管道外侧，根据实际的情况可自行设置。

可选地，上述散热组件4为散热风扇，控制电路用于驱动散热风扇工作。

散热组件4可以为散热风扇，散热风扇与控制电路电连接，控制电路可以驱动散热风扇工作，通过风流可以降低管道腔体中流体的温度。可选地，散热风扇可以设置于管道侧面，具体地，可以设置于管道进口的侧面，对于需要降温的流体，通过在管道进口处设置散热风扇，需要降温的流体温度可以尽早降温。当然，根据实际的需要，散热风扇可以包括多个，多个散热风扇可以分别分布在管道1的进口位置、中间位置、出口位置等，使得可以多方位的对需要降温的流体进行降温。

可选地，上述管道1为蛇形弯曲的管道1。

其中，蛇形弯曲的管道1可以是紧密排列的圆管阵列，可以减少管道1的占用空间，使得在进行流体的升温或降温过程中，相近的管道1和管道1之间可以进行热量的传递，提高加热组件3和散热组件4的利用率。当然，本申请在此并不限定管道1的形状和材质，其形状可以是“U”型管、“O”型管等，其材质可以是高导热性的铜，铝等，根据实际的应用场景可自行选择。

可选地，上述第一温度传感器6包括多个，多个第一温度传感器6均匀分布于管道内壁上。

其中，将多个第一温度传感器6均匀分布于管道内壁上，多个第一温度传感器6可以测量到管道1内各区域流体的温度，可选地，可以计算获取多个第一温度传感器6采集的平均温度，控制电路可以根据该平均温度进一步判断是否要进行升温或降温操作。

可选地，可以在管道进口处设置多个第一温度传感器6，通过获取该多个第一温度传感器6的平均值可以确定需要控温的流体在控温之前的温度；可以在管道出口处设置多个第一温度传感器6，通过获取该多个第一温度传感器6的平均值可以确定需要控温的流体在控温之后的温度是否达到了预设的温度。当然，根据实际的需要，也可在管道1的中间位置设置多个第一温度传感器6，本申请在此不再赘述。

可选地，上述第二温度传感器5包括多个，多个第二温度传感器5均匀分布于加热组件3的外壁上，在获取管道1外流体的外界环境温度时，可以将多个第二温度传感器5的平均值作为该外界环境的平均温度，根据该外界环境的平均温度和第二温度传感器5所采集的管道1外流体的外界环境温度，对加热组件3的加热功率进行调节，或散热组件4的散热功率进行调节，使得在接近目标温度时，可以避免控温过程中“飞温”现象的发生，使得在温度控制过程中更为准确。

可选地，上述温度控制装置可参见下述的方法实现对管道内流体温度的控制，该方法包括：

获取第一温度传感器传输的管道腔体中流体的温度。

温度控制装置用于升温，管道腔体中流体的温度小于第一预设温度时，驱动加热组件工作；获取第二温度传感器传输的第一温度，根据第一温度和管道腔体中流体的温度，调节加热组件的功率；管道腔体中流体的温度等于第一预设温度时，相变储热材料吸热，第一预设温度为相变储热材料的相变点温度；或，温度控制装置用于降温，管道腔体中流体的温度大于第二预设温度时，相变储热材料吸热；管道腔体中流体的温度等于第二预设温度时，驱动散热组件工作；获取第二温度传感器传输的第二温度，根据第二温度和管道腔体中流体的温度，调节散热组件的功率；第二预设温度为相变储热材料的相变点温度。

其中，第一预设温度为预设的目标升温温度，当管道腔体中流体的温度小于该第一预设温度时，控制器驱动加热组件工作，对流体中的温度进行升温；在此过程中，第一温度传感器会测量管道外流体的外界环境温度，通过对比该外界环境温度与管道腔体中流体的温度，可以调节加热组件的功率，即当管道腔体中流体的温度接近第一预设温度时，可以调节以降低加热组件的功率，减少加热组件的热量输出；而当管道腔体中流体的温度等于第一预设温度时，则相变储热材料可以吸收加热组件的残余热量，避免流体继续吸收加热组件的热量而超过第一预设温度，达到精确控温的目的，控温精度可以达到0.01-0.05℃。

第二预设温度为预设的目标降温温度，当管道腔体中流体的温度大于该第二预设温度时，相变储热材料可以吸收流体所散发的热量，流体可以迅速降温；当管道腔体中流体的温度等于第二预设温度时，驱动散热组件工作，相变储热材料中储存的热量可以被迅速散发；获取第二温度传感器传输的第二温度，根据第二温度和管道腔体中流体的温度，调节散热组件的功率，依靠相变储热材料内部的热量扩散缓缓将管道内流体的温度恒定在第二预设温度，达到精确控温的目的，控温精度可以达到0.01-0.05℃。

可选地，本实用新型实施例还提供了一种温度控制***，包括上述的温度控制装置，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

可选地，上述温度控制装置应用于温度控制***时，可以用于精确控温模式、快速控温模式等多种温度调节模式的控制，其中，精确控温模式侧重温度的调节精度，即通过调节可以使得管道中的流体温度与预设的温度之间的误差尽可能的小，该精度可以是0.01-0.05℃；快速控温模式侧重温度的调节速度，即通过调节可以使得管道中的流体温度在尽可能短的时间内可以达到预设的温度。

可选地，上述控制电路可以基于PID控制***的自整定AT技术，包含自动寻优PID和模糊控制算法，各自以独立的逻辑模块烧录于PLC控制电路中，通过用户输入相应的启动信号来触发，实现精确控温模式和快速控温模式下温度的控制。

例1，管道腔体直径为6mm，总长度为2.5m，流体为水，采用第一温度传感器测量的该流体的温度为40℃，可选地，相变储热材料填充层中，石蜡主要成分的分子式为C28H58，质量分数为71.5％，金属铜质量分数为8.5％，石墨的质量分数为20％。

以设定温度60℃时的精确升温模式进行举例，对应地，控制电路驱动加热组件对管道中的流体进行升温，当第一温度传感器测量到管道中流体的温度达到相变储热材料相变点(60℃)温度，相变储热材料开始吸收加热组件散发的热量，使流体接收到的热量大大减少；根据第二温度传感器采集的温度和第一温度传感器采集的温度，之后PID自动寻优算法被触发，加热组件的加热功率被设定为温度指标的函数，从而使元件发热功率在接近设定温度时大幅降低至恒温热平衡值附近，在控制算法和相变储热材料的共同作用下，可以控制管道腔体中流体的温度恒定在60℃±0.01℃，提高温度控制的精度。

以设定温度20℃时的精确降温模式进行举例，当第一温度传感器测量到管道中流体的温度为40℃时，首先相变储热材料吸收流体散发的热量，使流体迅速开始降温；之后根据第一温度传感器采集的温度和第二温度传感器的温度，PID自动寻优算法被触发，散热风扇的转速被设定为温度指标的函数，从而使相变储热材料内储存的热量迅速被散发，在接近设定温度时，散热风扇以很低的转速工作，依靠相变储热材料内部的热量扩散缓缓将管道腔体内部的温度恒定在20℃±0.01℃。

例2，管道腔体直径为6mm，总长度为2.5m，流体为非甲烷总烃(NMHC)，采用第一温度传感器测量的该流体的温度为100℃，可选地，相变储热材料填充层中，石蜡主要成分的分子式为C₃₀H₆₂，质量分数为23.7％，金属合金采用Bi(56％)-Sn(40％)-Zn(4％)复合物，占68.3％，石墨添加量占8％。

以设定温度130℃时的快速升温模式进行举例，首先控制电路驱动加热组件进行加热，当第一温度传感器测量到管道中流体达到相变储热材料的相变点(130℃)温度，相变储热材料开始吸收加热组件散发的热量，使流体接受到的热量大大减少；根据第二温度传感器采集的温度和第一温度传感器采集的温度，之后模糊控制算法被触发，根据PID控制器的初值(实际温度/设定温度：120℃/130℃)得到相应的调节值(例如，加热功率为73W)，然后相加得到最终的PID控制参数(例如，输出加热功率74W，并以0.25W/s的速度递减)，从而使元件发热功率参数快速接近目标热平衡值附近，可以控制管道腔体中流体的温度恒定在130℃±0.05℃，提高温度控制的精度。

其中，需要说明的是，对于其他流体在精确控温模式下的升温、降温，以及快速控温模式下的升温、降温可参考上述实施例的相关部分，本申请在此不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温度控制装置，其特征在于，包括：管道、加热组件、散热组件、第一温度传感器、第二温度传感器及控制电路；

所述加热组件绕设于所述管道外侧，所述加热组件与所述管道之间填充有相变储热材料；

所述第一温度传感器设置于所述管道内壁上；

所述第二温度传感器设置于所述加热组件外壁上；

所述控制电路与所述加热组件、所述散热组件、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器均电连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相变储热材料包括石蜡、合金粉末及石墨。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相变储热材料在所述加热组件与所述管道之间的填充厚度为0.5-10mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热组件为电阻丝，所述电阻丝绕设于所述管道外侧。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电阻丝在所述管道外侧呈网状、方格状或平行排布。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散热组件为散热风扇，所述控制电路用于驱动所述散热风扇工作。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管道为蛇形弯曲的管道。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一温度传感器包括多个，多个所述第一温度传感器均匀分布于所述管道内壁上。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二温度传感器包括多个，多个所述第二温度传感器均匀分布于所述加热组件外壁上。

10.一种温度控制***，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的温度控制装置。

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