DE2842746A1

DE2842746A1 - Waermeaustauschvorrichtung

Info

Publication number: DE2842746A1
Application number: DE19782842746
Authority: DE
Inventors: Peter Stephen Albertsen
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1978-09-30
Publication date: 1979-04-19
Also published as: GB2005399B; FR2406176B1; US4149591A; JPS5468553A; JPS6314280B2; GB2005399A; FR2406176A1

Description

ALEXANDER R. HERZFELD ■ e Frankfurta.m.qo

RECHTSANWALT Λ ZEPPELINALLEE 71 «ft» An._ft BS IDEM LANDQSRICHT FBANKFURTAM MAIN J ~* TELEFON 0611/779125 £ O H 2 /AB

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N.Y., USA

Wärmeaustauschvorrichtung

Die Erfindung betrifft Wärmeaustauschervorrichtungen aus einzelnen Einheiten, die nach dem Baukastenprinzip zu Wärmeaustauschersystemen zusammengesetzt werden können, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die US-PS 4,041,592 und 4,041,591 "beschreiben extrudierte Wärmeaustauschereinheiten mit mehrfachen Strömungswegen für das durchlaufende wärmeaustauschende Eluidmittel. Es handelt sich hierbei jedoch um einzelne Einheiten. Da ein Bedürfnis nach Wärmeaustauscheinheiten besteht, welche nach dem Baukastenprinzip zu mehr oder weniger größeren Wärmeaustauschsystemen zusammengebaut werden können, hat sich die Erfindung die Schaffung derartiger Wärmeaustauscher«einheiten zur Aufgabe gestellt.

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Die Aufgabe wird durch die Wärmeaustauschereinheit der Erfindung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein von einer Deck- und Bodenwand, zwei an Seitenwänden und an "beiden, gegenüberliegenden Enden von Endwänden umgrenzter, monolithischer Wabenkörper eine Vielzahl mit ihren Achsen parallel zu den Wänden verlaufender, dünnwandiger Zellen enthält, welche mehrere Säulen bilden, die voneinander durch je ein Paar gegenüberliegende, von der Deck- zur Bodenwand reichende erste Begrenzungswände getrennt werden, und worin die Zellen jeweils von ihrer Nachbarzelle durch je ein Paar zweite, von der einen bis zur anderen Seitenwand reichende, gegenüberliegende Begrenzungswände voneinander getrennt werden, die Begrenzungswände vom einen Ende bis zum anderen Ende des Wabenkörpers reichen, beide Enden gegen lluidmittel abgedichtet sind, in der Deck- und Bodenwand und den ersten Begrenzungswänden nahe dem einen oder anderen Ende Öffnungen vorgesehen sind, welche in ausgewölbten, abwechselnden Zellsäulen gebildete, getrennte Strömungswege für ein erstes ITuidmittel und wenigstens ein weiteres ITuidmittel führen, die ihrerseits in entsprechenden Öffnungen am jeweils entgegengesetzten Ende des Wabenkörpers enden und an entsprechende der Öffnungen angeschlossene Mittel zur Fluidmittelzufuhr und -abfuhr abdichtbar am Wabenkörper angebracht sind.

Kennzeichnend für das Verfahren zu ihrer Herstellung ist, daß zunächst zwei oder mehrere Wabenkörper mit säulenförmiger Zellengruppierung hergestellt werden, diese mit den Ein- und Auslaß-

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öffnungen versehen, sodann in jeweils abwechselnden Zellensäulen die Strömungswege für wenigstens zwei iTuidmittel durch Entfernen entsprechender Zellwände gebildet und bis zu den jeweils entsprechenden Ein- und Auslaßöffnungen geführt werden, beide Enden des Wabenkörpers gegen ITuidmittel abgedichtet werden, und Anschlüsse zur Verbindung der Einlasse und/oder Auslässe mit den entsprechenden Strömungswegen mindestens eines weiteren, entsprechend behandelten Wabenkörpers unter Bildung mindestens zweier, durch mindestens zwei Einheiten führender Strömungswege angebracht werden.

Die erfindungsgemäßen Wärmeaustauschereinheiten können zu einem kompakten Wärmeaustauschersystem mit veränderlicher Anzahl der Einheiten zusammengebaut werden, wobei sich zahlreiche Ausgestaltungsmöglichkeiten des Zusammenbaus und des Strömungsverlaufs des iTuidmittels, oder gegebenenfalls mehrerer iTuidmittel, ergeben.

Die Einheiten können z.B. entsprechend der obigen DT-OS aus extrudierter und gebrannter Keramik, Metallpulver oder Mischungen derselben hergestellt werden. Möglich ist aber auch die Herstellung aus anderen form- und/oder bearbeitbaren Stoffen, z.B. durch Gießen, Schweißen, maschinelle Bearbeitung usf.

Pur den Zusammenbau der einzelnen Einheiten sind aufwendige Zusatzteile entbehrlich. Erforderlich sind im wesentlichen nur vergleichsweise einfache Mittel zur Verbindung der einzelnen Einheiten,

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sowie Ein- und. Ausläße für das oder die Fluidmittel. Nich vonnöten sind hingegen die sonst unumgänglichen Hauptleitungen und Verteiler aufwendigen Aufbaus.

Günstig ist fernerhin der gleiche Grundaufbau bei den verschiedensten Ausgestaltungen zur Erzielung zahlreicher Strömungsverlaufvarianten. Infolgedessen bestehen die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten von einfachsten bis zu äußerst komplexen Wärmeaustauschsystemen, Rekuperatoren, Nachbrenneranlagen, oder, bei Verwendung poröser Stoffe zur Herstellung der Wabenkörper für die Einheiten, Filter- und Osmosesystemen u.a.m.

An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Die Figur 1 eine einzelne Wärmeaustauschereinheit der Erfindung in Seitenansicht;

die Figur 2 die Wärmeaustausehereinheit der Figur 1 von oben gesehen, mit Öffnungen für die Fluidmittel;

die Figuren 3 und 4 die gleiche Wärmeaustauschereinheit im Schnitt entlang den Schnittlinien 3-3 und 4-4 der Figur 1;

die Figuren 5a und 5b die Wärmeaustauschereinheit im Längsschnitt entlang den Schnittlinien 5a - 5a und 5b - 5b der Figur 2;

die Figur 6 im perspektivischer Ansicht ein aus mehreren Einheiten der Erfindung aufgebautes Wärmeaustauschersyst.em;

die Figur 7 das Wärmeaustauschersystem der Figur 6 von der Seite, und die Figur 8 dasselbe von einem Ende her gesehen;

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die Figur 9 schematisch eine andere Ausgestaltung eines Wärmeaustauschersystems .

Die Figuren 1 und 2 zeigen die Wärmeaustauschereinheit (Modul)

10, aus einem Wabenkörper 1 mit den begrenzenden oberen und unteren Flächen 11, 12 und den Seitenflächen 13, 14, sowie den die Enden 2, 3 abdeckenden Endplatten 15, 16. Wenigstens je eine ringförmige Dichtung 17, 18 am linken oberen und rechten unteren Ende schließt die Öffnungen 19 und 21, die miteinander fluchten. Versetzt zu diesen sind miteinander fluchtende Öffnungen 20, 22 am jeweils gegenüberliegenden Ende. Bei Betrachtung entlang der Linie 3-3 der Figur 1 erscheint der Wabenkörper als eine Vielzahl von Zellenreihen und -säulen 25, die außen von den Flächen

11, 12, 13, 14 und innen von den waagerechten und senkrechten Fluidgrenzwänden 26, 27 begrenzt sind. Die Zellensäulen sind mit C1 - C8, die Zellenreihen mit R1 - R8 bezeichnet. Der gesamte Wabenkörper kann mit einer geeigneten Form extrudiert werden, wodurch die extrudierte Masse gewissermaßen miteinander verknüpft wird und eine zusammenhängende Zellenstruktur oder Matrix bildet, und angesichts der Fluidgrenzwände 26, 27, 11 - 14 die Zellen gegeneinander abgeschlossen sind.

Wie aus den Figuren 2, 4 und 5a ersichtlich ist, werden in ausgewählte Zellensäulen C1, 03, 05, C7, durch die obere Fläche 11 Fluidöffnungen 19 eingebohrt oder eingeschnitten. Diese Öffnungen verlaufen weiter durch die Fluidgrenzwände 26 in den ausgewählten Zellsäulen und bilden eine Strömungsleitung 23. Entsprechende

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Öffnungen 21 in der unteren Begrenzungswand 12 am gegenüberliegenden Ende 3 des Körpers 1 führen durch die waagerechte Fluidgrenzwand 26 und bilden eine Auslaßleitung 24. Ein erstes Fluidmittel El fließt durch die Öffnung 19, durch die leitung 23, die Zellen 25 der gewölbten Zellensäule (07 in den Figuren 2 und 4) und durch die Auslaßleitung und in Öffnungen 21 in einem Z-förmigen Strömungsverlauf.

Ein entsprechender Gegenstromverlsuf kann für ein zweites Fluidmittel F2 vorgesehen werden, wobei in abwechselnden Zellensäulen 02, 04, 06, 08 die horizontalen Fluidgrenzwände 26 entfernt werden, sodaß das Fluidmittel über die benachbarten, mit ungeraden Ziffern bezeichneten Säulen von Zellen mit dem ersten Pluidmittel in Wärmeaustausch tritt. Der Verlauf dieser Gegenströmung führt durch die Öffnungen 20 in der oberen Begrenzungsfläche 11 des Körpers am oberen Ende 3, durch die Einleitung 28, die Zellen 25 in den gewählten Zellsäulen 02, 04, 06, 08, die Auslaßleitung 29 am anderen Ende 2 des Körpers und die Auslaßöffnungen 22 in der unteren Begrenzungswand 12.

Die Ein- und Ausläße und Leitungen für die Pluidmittel können durch einfaches Ausbohren senkrechter Bohrlöcher in den gewölbten Zellsäulen hergestellt werden. Die Bohrungen gehen durch die horizontalen Fluidgrenzwände, aber nicht durch die gegenüberliegenden Grenzwände. So sind beispielsweise in der Figur 4 die senkrechten Bohrungen 19 für das Fluidmittel F1 durch die gewählten Zellsäulen 01, 03, 05, 07, durch die obere Grenzfläche 11, und durch die folgenden, horizontalen Fluidgrenzwände 26 geführt,

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{ NACHGEREiCHT^

" 40 " 18 k I ¹M b

enden aber vor der unteren G-renzwand 12. In gleicher Weise können die Bohrungen für den zweiten Strömungsweg in abwechselnden, mit geraden Ziffern bezeichneten Zellsäulen und gegenüberliegenden Seiten des Körpers geführt werden. Die Strömungsrichtungen sind beliebig umkehrbar, wobei die Einlasse zu Auslässen werden, und umgekehrt.

Mehrere, in entsprechender Weise gefertigte Körper können als Baukasteneinheiten 10 so gestapelt werden, daß die entsprechenden Einlaßöffnungen 19 für das erste Fluidmittel über den entsprechenden Auslaßöffnungen 22 der jeweils vorhergehenden Einheit 10 zu liegen kommen. Dabei wird die Bezeichnung der Ein- und Auslässe für die Pluidmittel F1 und I"2 für die benachbarten vorhergehende und nachfolgende Einheit funktionell umgekehrt; so fließt das erste Pluidmittel I¹I in Einlasse 19 einer ersten Einheit 10, durch deren Säulen 01, 03, 05, 07 und durch die Auslässe 21 in die Einlasse 20 der nächstfolgenden unteren Einheit, in der es durch Säulen mit geraden Ziffern 02, 04, 06, 08 fließt, und durch die Auslässe 22 dieser Einheit in die Einlasse 19 der nächsten Einheit. Jede Einheit ist gewissermaßen das Spiegelbild der vorhergehenden Einheit, und solange die verschiedenen Pluidmittel voneinander getrennt bleiben sind die Kanäle für die Strömungsmittel nebeneinander vertauschbar.

In der gezeigten Ausbildung sind auf den oberen und unteren Grenzflächen 11 und 12 an den gegenüberliegenden Enden 2, 3 Ringdichtungen 17, 18 angebracht, z.B. ein O-Ring, oder einstückig mit dem Körper ausgebildete Dichtungen. Ein Paar Dichtungen 17, 18

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wird von "benachbarten Baueinheiten geteilt, diehe die Beschreibung zu der Figur 6.

An den Enden 2, 3 sind abgedichtete Stirnplatten 15, 16 angebracht, sodaß an den Enden 2, 3 keine Strömung zwischen den Zellensäulen fließt. Die Stirnplatten können aus dem gleichen Material wie der Körper, oder einem anderen Material bestehen, das zur Abdichtung gebrannt oder verschweißt werden kann.

Die Figuren 1 - 5a - b zeigen lediglich ein Ausführungsbeispiel mit Z-förmiger Strömung, die eine senkrechte Stapelung der Einheiten erleichtert. Soll die Strömung nach Form eines C verlaufen, so werden die Öffnungen 19, 20 miteinander in den gleichen Zellsäulen ausgerichtet, z.B. C1, 03, 05, 07, während die Öffnungen 21, 22 in den jeweils unmittelbar benachbarten Zellsäulen miteinander ausgerichtet werden, z.B. 02, 04, 06, 08. In diesem Falle werden die Ein- und Auslässe wenigstens einer Gruppe der Öffnungen 19 oder 20 miteinander vertauscht. Die Baueinheiten werden dann so gestapelt, daß die Enden 2 und 3 zur unmittelbar benachbarten Einheit nach Art einer Mauer mit abgesetzten Ziegeln versetzt sind.

Die Figuren 6, 7, 8 zeigen einen Wärmeaustauscher 30 mit zwei wärmeaustauschenden Fluidmitteln im G-egenstrom. Ein aus 4x3 Einheiten bestehender Wärmeaustauscher 30 (Einheiten TJ1 - U4 T1 - V4, Wi - W4) ist mit den Ein- und Auslaßsammelleitungen 31, 32 bzw. 33, 34 für zwei Fluidmittel F1, F2 versehen. Die einzelnen Einheiten haben die oben beschriebene Ausgestaltung

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für einen Z-förmigen Strömungsdurchlauf. Das Fluidmittel F1 fließt in die Leitung 31» deren Öffnungen über den Einlassen der ersten Baureihe U1, V1, ¥1 liegen, und Terläuft entlang den gestrichelten Linien 35 zu einem Auslaß an der unteren Grenzfläche, in die Einlasse der Einheiten U2, V2, ¥2, in diesen in umgekehrter Richtung (von links nach rechts) usw., durch die dritte und vierte Reihe, "bis zur Auslaßsammelleitung 32, siehe Figuren 7 und 8. Entsprechend, aber gegenläufig, verläuft die Strömung des Fluidmittels F2 wie es durch die gestrichelte Linie 36 angedeutet ist.

Wie aus den Figuren 7 und 8 ersichtlich ist, sind die Sammelleitungen 31, 34 an die Baueinheiten U1, U4- über den Abdichtungen 17» 18 entsprechende Abdichtungen 17', 18* angeschlossen. Sie können aus O-Ringen bestehen, oder einstückig mit den Sammelleitungen ausgeführt sein.

In der Endansicht der Figur 8 des Stapels der Figuren 6 und 7 sind die kombinierten senkrechten und horizontalen Strömungsverläufe noch deutlicher dargestellt, wobei "X" den Verlauf in die Zeichenebene und (".^ den Verlauf aus der Zeichenebene bezeichnet. Das Fluidmittel F1 fließt über die Sammelleitung 31 über die Dichtungen 18· gleichzeitig in die Einheiten Ü1, V1, W1, in diesen parallel (in die Zeichenebene) dann in jede der Einheiten ΙΓ2, V2, ¥2 u.s.f. durch Ü1 - U4, V1 - V4, ¥1 - ¥4, und zusammen in die Auslaßsammelleitung 32.

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Die Sammelleitungen 31 - 34 können mit getrennten Kammern versehen sein und das Strömungsmittel F1 kann zunächst in die Leitung 31 und durch die Einheiten U1 - U4, dann über die Leitung durch die Einheiten V1 - V4, dann wieder durch die Leitung 31 fließen und an deren rückwärtigen Ende austreten. Eine derartige Ausgestaltung zeigt andeutungsweise die Figur 9. Die Einheiten U1 - U4 und W1 - W4 sind wie zuvor "beschrieben ausgebildet. Die Sammelleitungen 31^f und 32' haben Kammern 31a - 31b, 32a - 32b, mit Begrenzungswänden 31c - 32c u.s.f. für jede einzelne Sammelleitung 31, 32, sodaß der Strömungsverlauf in jeder Leitung begrenzt ist. Wie in der Figur 8 bezeichnet auch hier "X" einen Strömungsverlauf in die Zeichenebene hinein, ".ⁿ denselben aus dieser heraus. Das ITuidmittel I¹I tritt in die Leitung 31 ! am linken Ende der Kammer 31a, welche über die Dichtung 18¹ mit der Einheit TJ1 in Verbindung steht. Das Fluidmittel strömt entlang Einheit U1 bis zum Ende der Einheit U4, entsprechend dem für die Ausbildung der Figuren 7, 8 beschriebenen Strömungsweg, Von da fließt es über die Abdichtung 18 in die Sammelleitung 32a und von links nach rechts zur Einheit Y4, denn die G-renzwände 32c blockieren einen anders gerichteten Strömungsweg. Der Strömungsverlauf führt nun durch die Einheiten der Säule V4 - V1 und über die Abdichtung 18' in die Sammelleitung 31b. Hier wird die Strömung durch die Wand 31c wieder blockiert und kann nur über die Dichtung 18· in die Einheit W1 fließen. Sie folgt dann dem bezeichneten Weg durch die Einheiten W1 - W4 bis in die Auslaßkammer 32b der Sammelleitung 32'.

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Entsprechend sind für das ITuidmittel 12 die Sammelleitungen 33', 34' mit den Kammern 33a - b, 34a - b versehen, nur daß das Fluidmittel ]?2 den Wärmeaustauscherstapel im Gegenstrom zum Pluidmittel ΪΊ durchläuft.

Der dargestellte Strömungsverlauf erscheint besonders günstig, jedoch sind andere Ausgestaltungen denkbar und durchführbar.

Anstelle des besonders vielseitig anwendbaren Z-förmigen Strömungsweges sind andere Strömungsbahnen, z.B. in C oder I-Form, z.B. nach der US-PS 4,041»592 möglich. Auch können die Abdichtungen der US-PS 4,041,591 günstige Anwendung finden.

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Leerseite

Claims

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1. Wärmeaustauschvorrichtung, enthaltend wenigstens eine Wärmeaustauscheinheit, welche nach dem Baukastenprinzip zu Wärmeaustauschsystemen mit einer weiteren oder mehreren Einheiten zusammengehaut werden kann und zwei oder mehrere Strömungswege für mindestens zwei Fluidmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer Deck- und Bodenwand (11, 12), zwei an Seitenwänden (13, 14) und an beiden, gegenüberliegenden Enden (2, 3) von Endwänden umgrenzter, monolithischer Wabenkörper (1) eine Vielzahl mit ihren Achsen parallel zu den Wänden (11, 12, 13, 14) verlaufender dünnwandiger Zellen (25) enthält, welche mehrere Säulen (ö) bilden, die voneinander durch je ein Paar gegenüberliegende, von der Deck- zur Bodenwand reichende erste Begrenzungswände (26) getrennt werden, und worin die Zellen jeweils von ihrer Nachbarzelle durch je ein Paar zweite, von der einen bis zur anderen Seitenwand reichende gegenüberliegende Begrenzungswände (27) voneinander getrennt werden, die Begrenzungswände (26, 27) vom einen Ende (2) bis zum anderen Ende (3) des Wabenkörpers reichen, beide Enden gegen ITuidmittel abgedichtet sind, in der Deck- und Bodenwand und den ersten Begrenzungswänden nahe dem einen oder anderen Ende Öffnungen (19, 20) vorgesehen sind, welche in ausgewählten abwechselnden Zellsäulen (c;, 03, 05, 07), bzw« (02, 04, 06, 08) gebildete getrennte Strömungswege (23, 24, 28, 29) für ein erstes Fluidmittel und wenigstens ein weiteres ITuidmittel führen, die ihrerseits in entsprechenden öffnungen (21, 22) am jeweils entgegengesetzten Ende des Wabenkörpers enden

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. i^·. Inachgereicht'I

und an entsprechende der Öffnungen angeschlossene Mittel zur Fluidmittelzuf uhr und - abfuhr abdichtbar am Wabenkorper angebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Strömungswege in Form eines Z, U, I, C und/oder X.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 oder 2, die Mittel für die Pluidmittelzufuhr und -abfuhr mit einer an wenigstens einer der Ein- und Auslaßöffnungen angebrachten Ringdichtung versehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdichtung einstückig mit dem Wabenkorper ausgebildet und wenigstens je eine auf gegenüberliegenden Wänden nahe den Enden des Wabenkörpers angebracht ist.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1-4» dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkorper einen rechteckigen Querschnitt hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Wabenkorper abdichtbare Mittel zum Anschluß wenigstens eines Strömungsweges an einen entsprechenden Strömungsweg mindestens einer weiteren Wärmeaustauschereinheit vorgesehen sind.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmeaustauschereinheiten für wenigstens zwei ITuidmittel mit Strömungswegen nach dem Gegenstromprinzip zus ammenge"baut s ind.

8. Torrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Wärmeaustauschereinheiten mit Strömungswegen in Reihen- und Parellelschaltung zusammengebaut sind.

9. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst zwei oder mehrere Wabenkörper mit säulenförmiger Zellengruppierung hergestellt werden, diese mit den Ein- und Auslaßöffnungen versehen, sodann in jeweils abwechselnden Zellensäulen die Strömungswege für wenigstens zwei lluidmittel durch Entfernen entsprechender Zellwände gebildet und bis zu den jeweils entsprechenden Ein- und AuslaßÖffnungen geführt werden, beide Enden des Wabenkörpers gegen Pluidmittel abgedichtet werden, und Anschlüsse zur Verbindung der Einlasse und/oder Auslässe mit den entsprechenden Strömungswegen mindestens eines weiteren entsprechend behandelten Wabenkörpers unter Bildung mindestens zweier, durch mindestens zwei Einheiten führenden Strömungswege angebracht werden.

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