CN108306075A - 一种动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置 - Google Patents
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Abstract
一种动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，包括热管模块和热沉模块，所述热管模块竖直地与动力电池单体交替叠置，所述热沉模块通过热界面结构热耦合地连接热管模块；热管模块包括厚度变截面热管，厚度变截面热管包括窄截面蒸发部和大截面冷凝部；热沉模块包括风道单元和阻流形泡沫金属单元，所述阻流形泡沫金属单元包括多个泡沫金属块，多个泡沫金属块沿风道单元轴向平行间隔设置在风道单元以使得多个通风孔的内孔形成一阻流形风道。所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，超大吸热超薄热管结合热沉，极大提高了电池组的冷却散热能力。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池的技术领域，具体涉及一种动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置。
背景技术
电动汽车的动力电池组必须采用强制散热措施才能将电池组工作温度控制在理想的范围内。对于锂电池的电池组强调2个目标参数，一个是电池单体的最高温度要低于50℃，另一个是电池单体之间的温度差最小，最好小于5℃。
热管冷却是在封闭真空管内填充工作液体，利用液体的蒸发和液化相变转换进行热传导，把热能从一个不易传热的位置转移到另一个可有效散热位置的搞笑热转换元件。热管主要依靠工作液体相变传热，热阻很小，所以其导热能力可比银、铜、铝等金属材料高几个数量级。
但是在动力电池冷却领域，目前热管冷却仍然没有商业化，其原因在于有以下几个缺陷：
(1)线接触，通常使用3-5根扁平热管间隔设置在动力电池叠置之间，热管与电池之间接触为线接触非面接触，接触面积仅扁平热管的横截面与电池表面接触，仍然有50％以上的电池表面没有与扁平热管接触，电池单体的不同位置温度均匀性不好，线接触是根本性、致命性缺陷；
(2)方向性，热管多采用重力热管，工作液体在冷凝端由气体改变为液体时依靠重力实现液体回流，因此，蒸发段必须置于最低位置；多数情况，为了使得冷凝段高于蒸发段，冷凝段通常要向上弯折，但是只要弯折，热管的汽液流动性能就大打折扣，换热性能几乎剧烈下降；
(3)不能单独胜任，热管仅负责转移热量，在冷凝段释放热量必定要迅速离开冷凝端才使得热管与发热元件保持长期的热平衡，而热量在冷凝端的散热则需要耦合强制散热措施，通常是散热鳍片+风机/泵，就是一方面需要体积庞大的一体焊接在冷凝端的散热鳍片，另一方面又需要人为制造液体流或空气流来带走热量。
因此，以“电池组的最高温度要低于50℃，且各电池单体的温度差小于5℃”为目标，设计一种能克服上述缺陷的冷却装置，已经成为迫切需要解决的共性难题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种动力电池单体叠置的厚度变截面热管冷却装置。
本发明的目的是这样实现的，一种动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，n 个动力电池单体以固定行距间隔叠置形成叠置体，m个叠置体以固定列距间隔排列设置在电池框架中形成动力电池单体叠置模块，
包括热管模块和热沉模块，所述热管模块竖直地与动力电池单体交替叠置，所述热沉模块通过热界面结构热耦合地连接热管模块；
热管模块包括厚度变截面热管，厚度变截面热管包括窄截面蒸发部和大截面冷凝部，锥形过渡部一体连接在窄截面蒸发部和大截面冷凝部之间，大截面冷凝部设有开口，密封盖体一体固化密封所述开口；
热沉模块包括风道单元和阻流形泡沫金属单元，所述阻流形泡沫金属单元包括多个泡沫金属块，泡沫金属块设有通风孔，多个泡沫金属块沿风道单元轴向平行间隔设置在风道单元以使得多个通风孔的内孔形成一阻流形风道。
进一步地，所述热界面结构包括矩形脚部、焊锡层，矩形脚部下部气密封地插入热管模块，泡沫金属块与m个矩形脚部上部通过焊锡层一体焊接。
进一步地，还包括流体通道单元，流体通道单元的液体流动方向与风道单元的气流方向垂直，多个厚度变截面热管的窄截面蒸发部液密封地穿过流体通道单元底壁使得所述大截面冷凝部和锥形过渡部平行间隔设置在流体通道单元中。
进一步地，所述流体通道单元包括U形槽体，U形槽体对应热管部位开孔，在加热软化状态下让窄截面蒸发部从开孔穿过，当U形槽体侧壁顶部一体焊接在所述风道单元的底壁时，U 形槽体底壁与窄截面蒸发部外壁面液密封地一体焊接。
进一步地，所述阻流型风道沿气流方向呈现风道横截面连续减小到风道喉部横截面，然后从风道喉部横截面连续增大，所述风道喉部横截面为入口横截面的1/3-1/4。
进一步地，所述窄截面蒸发部内壁一体焊接有多个多孔柱体。
进一步地，锥形过渡部的厚度方向两侧壁与水平面夹角α回为60°≥α回≥45°，所述锥形过渡部和大截面冷凝部的内壁设有疏水性纳米涂层。
进一步地，所述矩形脚部替换为半弧形泡沫金属块，风道单元外壁一体成型多个环形肋，两个半弧形泡沫金属块对合地设置在相邻环形肋之间；半弧形泡沫金属块内壁穿透风道单元管壁与泡沫金属块通过焊锡层一体焊接形成所述热界面结构。
进一步地，厚度变截面热管还包括蒸汽聚集部和环形冷凝室，所述大截面冷凝部和锥形过渡部形成蒸汽聚集部，带有多个半弧形泡沫金属块的风道单元同轴地设置在外冷凝管内，相邻环形肋和外冷凝管、风道单元之间形成环形冷凝室，蒸汽聚集部通过蒸汽管和回液管连接所述环形冷凝室。
进一步地，两个所述热沉模块沿车辆长度方向设置在动力电池叠置体的前上方；两个热沉模块的每个环形冷凝室交替对应连接动力电池叠置模块的每一列的m个厚度变截面热管。
所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，通过以下特殊结构保证了“电池组的最高温度要低于50℃，且各电池单体的温度差小于5℃”的设计目标：
1)厚度变截面热管10的热量转移
厚度变截面热管10将窄截面蒸发部11吸收的电池热量转移至大截面冷凝部12或而环形冷凝室17。厚度变截面热管的窄截面蒸发部11内装液汽相变工作介质，厚度变截面热管和动力电池单体通过导热硅脂交替叠置，动力电池单体的热量直接传递给窄截面蒸发部11外周壁上，致使工作介质启动汽化，通过气体上升直接将热量转移至大截面冷凝部12或而环形冷凝室17。
2)热界面结构50的热桥作用
热界面结构50的热桥作用，大大降低节点热阻。在大截面冷凝部12或而环形冷凝室17，在热界面结构的矩形脚部51或半弧形泡沫金属块53上汽体转变成液体，放出热量，但最终该热量需要散失到阻流形泡沫金属单元40才算有效。
热界面结构50通过通孔型泡沫金属材料穿风道单元壁接触泡沫金属块41，接触界面处通过焊锡层52完成矩形脚部51或半弧形泡沫金属块53与泡沫金属块41的热桥搭接，大大降低二者之间的热阻，使得热管热量迅速由冷凝部传导给阻流形泡沫金属单元40，最后将热量散失在阻流风道42中。
3)热沉模块是关键所在
热沉模块就是风道单元20、流体通道单元30与泡沫金属单元40，热沉模块200通过热界面结构与超薄热管结合。热量通过热界面结构传导至泡沫金属单元40，其能否有效散失，失稳如何管控，这决定着热管能否商业应用的关键所在。
①泡沫金属单元高效散热
泡沫金属体41与阻流风道42的完美结合，既维持了风道单元的风速和风压，又使得通过的风部分渗透到泡沫金属体41中将热量带走。
②液体冷却管控热管的热失稳
液体冷却与热管完美结合于一根管内，管控热管的热失稳。单凭厚度变截面热管10，在高热流密度冲击下，散失热量速度跟不上转移热量速度，液体工质14会迅速减少，温度聚升，这时需要流体通道单元30的帮忙，流体通道单元30中迅速通过冷却水，将大截面冷凝部12 或而环形冷凝室17热量带走，降低热管温度，使得热管重新回到转移散热的平衡中，温度重新回到缓升通道。
所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，创新设计超薄热管，保证了热管与动力电池单体交替叠置体的紧凑结构，同时热管、热界面结构和热沉的高度结合，高效散热又能管控热失稳，保证了超薄热管的商业应用的可能。
附图说明
图1为本发明一种动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置的实施例一的主剖视图。
图2为本发明一种动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置的图1中A-A剖视图。
图3为本发明一种动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置的超薄热管与热沉结合的主剖视图。
图4为本发明一种动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置的图3中C-C剖视图。
图5为本发明一种动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置的实施例二的主剖视图。
图6为本发明一种动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置的图5中B-B剖视图。
图7为本发明一种动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置的实测温度曲线图。
其中，a)为高速路况；b)为连续爬坡路况；c)为城市6-8级拥堵路况；
图中，×为安装实施例一的冷却装置的1#电池组；◆为安装实施例二的冷却装置的2# 电池组。
上述图中的附图标记：
100热管模块，200热沉模块
10厚度变截面热管，11窄截面蒸发部,12大截面冷凝部，13锥形过渡部，14工作介质，15多孔柱体，16蒸汽聚集部，17环形冷凝室,18蒸汽管，18.1蒸汽支管，19回液管， 19.1回液支管
20风道单元，20.1钎焊槽，21环形肋，22外冷凝管
30流体通道单元，31U形槽，32入口端盖体，33出口端盖体，34入口水管，35出口水管
40阻流形泡沫金属单元，41泡沫金属块，42阻流形风道,43水冷喷头
11.1左凸台面部，11.2右凸台面部，12.1固化槽，12.2密封盖体
41.1环形本体部，41.2通风孔
50热界面结构,51矩形脚部,52焊锡层,53半弧形泡沫金属块
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
如图所示，一种动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置，n个动力电池单体以固定行距RS间隔叠置形成叠置体，m个叠置体以固定列距CS间隔排列设置在电池框架中形成动力电池单体叠置模块Ln×m；超薄热管冷却装置包括热管模块100和热沉模块200，所述热管模块 100竖直地与动力电池单体交替叠置，所述热沉模块200热耦合地连接在热管模块100的顶部；
热管模块100包括厚度变截面热管10，厚度变截面热管10包括窄截面蒸发部11、大截面冷凝部12和锥形过渡部13，所述窄截面蒸发部11为薄板状，窄截面蒸发部11竖直地与动力电池单体交替叠置，窄截面蒸发部11内装工作介质14，工作介质14的液面高于动力电池单体；窄截面蒸发部11外表面包括高于其他表面1-2mm的左凸台面部11.1和右凸台表面11.2，所述左凸台面部11.1和右凸台面部11.2的平行度小于0.01mm，平面度小于0.01mm。凸出的左凸台面部11.1和右凸台表面11.2便于加工制造时研磨。所述窄截面蒸发部11内壁一体焊接有多个多孔柱体15，多孔柱体15突出于内壁表面增大液体汽化表面，有助于气泡形成。
大截面冷凝部12在厚度方向横截面宽度W凝为窄截面蒸发部11在厚度方向横截面宽度W蒸的10-15倍，即W凝＝(10～15)W蒸。大截面冷凝部12外表面设有至少两圈固化槽12.1，密封盖体12.2一体固化密封所述大截面冷凝部12的开口；在密封盖体12.2加热软化后，热沉 200的冷凝部201缓慢插入到大截面冷凝部12中，密封盖体12.2固化后达到真空密封所述热管的作用。所述密封盖体12.2采用所述高熔点聚合物，所述高熔点聚合物包括芳族聚酰亚胺聚合物、芳香族聚酰胺、聚丙烯腈、聚醚砜酮的至少一种。
锥形过渡部13的厚度方向两侧壁与水平面夹角α回为60°≥α回≥45°。所述锥形过渡部13 和大截面冷凝部12的内壁设有疏水性纳米涂层。
热沉模块200包括风道单元20、流体通道单元30和阻流形泡沫金属单元40，所述阻流形泡沫金属单元40包括多个泡沫金属块41，所述泡沫金属块41包括环形本体部41.1，环形本体部41.1沿厚度方向设有通风孔41.2；多个泡沫金属块41以平行间隔设置在风道单元20 中，以使得多个通风孔41.2的内孔形成一阻流形风道42，所述阻流型风道42沿气流方向呈现风道横截面连续减小到风道喉部横截面，然后从风道喉部横截面连续增大。所述风道喉部横截面为入口横截面的1/3-1/4，位于风道入口第一个泡沫金属块41的通风孔41.2的横截面为风道单元20的横截面的90％-95％。风道单元20中还间隔设有多个水冷喷头43。
热界面结构50包括矩形脚部51、焊锡层52，矩形脚部下部气密封地穿过密封盖体12.2 一体固化在大截面冷凝部12内腔中，矩形脚部51上部穿过风道单元20下壁与所述环形本体部41.1一体焊接形成热界面结构50，具体是将风道单元20下壁设有钎焊槽20.1，钎焊槽 20.1放入焊锡液体，在焊锡固化后将环形本体部41.1和矩形脚部51一体焊接形成焊锡层52。所述矩形脚部41.3长度等于动力电池宽度，矩形脚部51的宽度等于大截面冷凝部12内腔的宽度；
流体通道单元30的液体流动方向与风道单元20的气流方向垂直，多个厚度变截面热管 10的窄截面蒸发部11液密封地穿过流体通道单元30底壁使得所述大截面冷凝部12和锥形过渡部13平行间隔设置在流体通道单元30中，图中所示间隔为0；所述流体通道单元30包括U形槽31，U形槽31对应热管部位开孔，在加热软化状态下让窄截面蒸发部11从开孔穿过，当U形槽侧壁顶部一体焊接在所述风道单元20的底壁时，U形槽底壁与窄截面蒸发部11外壁面液密封地一体焊接；还包括入口端盖体32和出口端盖体33，入口端盖体31设有入口水管34，出口端盖体33设有出口水管35。
实施例二
为了降低动力电池叠置体的高度，采用回路热管的形式，具体如下：
热管模块100包括厚度变截面热管10，厚度变截面热管10包括窄截面蒸发部11、蒸汽聚集部16和环形冷凝室17，所述大截面冷凝部12和锥形过渡部13形成蒸汽聚集部16。所述环形冷凝室17设置在热沉模块200中，蒸汽聚集部16通过蒸汽管18和回液管19连接所述环形冷凝室17。
热沉模块200有两个，沿车辆长度方向设置在动力电池叠置体的前上方，具体就是车头的进风隔栅后方位置。风道单元20外壁一体成型多个环形肋21，相邻环形肋21之间设有对合的两个半弧形泡沫金属块53，并在风道单元20外壁加热软化的状态下，半弧形泡沫金属块 53内壁穿透风道管壁与泡沫金属块41通过焊锡层52一体焊接形成热界面结构50。带有多个半圆弧形冷凝部53的风道单元20同轴地设置在外冷凝管22内，相邻环形肋21和外冷凝管 22、风道单元20之间形成环形冷凝室17。两个热沉模块200的每个环形冷凝室17交替对应连接动力电池叠置模块的每一列的多个厚度变截面热管10。外冷凝管22对应环形冷凝室17 顶部设有一蒸汽入口17.1，环形冷凝室17底部对应多个厚度变截面热管10设有一冷凝液出口17.2，对应列的多个厚度变截面热管10的蒸汽聚集室16通过蒸汽支管18.1并联接入蒸汽管18，蒸汽管18连接在环形冷凝室17顶部的蒸汽入口17.1。冷凝液出口17.2通过回液管19，然后通过并联连接的多个回液支管19.1分别接入对应列的厚度变截面热管10的窄截面蒸发部11底部。回液管19内液体工质的液面与窄截面蒸发部11的液面等高。
回路热管的原理是：蒸汽由蒸汽聚集部16沿蒸汽管18从蒸汽入口17.1进入环形冷凝室 17，在环形冷凝室17发生气体到液体的相变，将热量通过冷凝部41.4、热界面结构50、泡沫金属块41传递给风道气流。液体工质从冷凝液出口17.2经回液管18分别进入对应列的多个厚度变截面热管10的窄截面蒸发部11。
其他特征与实施例一相同。
实验数据
下面给出实施例1、2的动力电池单体叠置模块的超薄热管冷却装置的实验数据，动力电池叠置体模块设有4组并排且串联设置的电池组在动力汽车底盘上，将超薄热管冷却装置装设在比亚迪E6的电池结构中，比亚迪E6的磷酸铁锂电池容量达到57KWh。将实施例1的磷酸铁锂电池组的编号1#、实施例2的磷酸铁锂电池组编号2#，试验条件要求环境温度20℃，湿度40％～50％，光照1000W/K·m2，如路试，要求光照充足，平直路面，风速小于10km/h。对比亚迪E6电池组进行快速充电，荷电状态(SOC)从电量最小状态充到满电状态，将满电状态的电池组进行放电散热测试，使得比亚迪E6从满电状态按以下既定工况运行到最小荷电状态，以80A进行快速充电直到充满为止测试时按如下极限工况进行试验直到电池管理系统发出低电量报警。
1)爬坡工况:以50km/h在山区大转弯低坡度防火道上连续爬坡路面行驶直到低电量报警；
2)高速工况:车速120km/h匀速行驶，直到低电量报警。
3)城市拥堵路况:选择拥堵程度为6-8的中度拥堵的城市路况，直到低电量报警。
拟定好合适路线，以爬坡、高速、城市拥堵路况分别单独进行满电极限放电散热测试，每隔半小时记录一次温度。
如图7所示，从温度曲线图中可看出，安装实施例一的冷却装置的1#电池组、安装实施例二的冷却装置的2#电池组均满足电池单体温差小于5℃的要求，高速工况放电功率最大，爬坡工况次之，城市拥堵路况放电功率相对最小，因此高速工况的冷却装置最先到达上限 50℃，然后液体通道单元30工作迅速降低到30℃。1#、2#电池组冷却装置均满足“电池组的最高温度要低于50℃，且各电池单体的温度均方差(SDT)小于5℃”的设计目标，热沉模块的功劳不小，保证了热管散热的高效运行，同时液体通道单元30管控了超薄热管10的温度失稳，为电池组提供了冷却性能良好且有效的充放电环境。
如图7所示，从温度曲线图中可看出，实施例1的1#电池组、实施例2的2#电池组均满足“电池组的最高温度要低于50℃，且各电池单体的温度均方差(SDT)小于5℃”的设计目标。1#、2#电池组在趴坡时电池温度升高较快，1#电池爬坡时平均温度为47℃，也满足要求，而2#电池组的各工况的平均温度均低于40度以下，为电池提供了良好冷却性能的充放电环境。相对于风道单元中设风扇来强制冷却，液体冷却通道30的冷却更加直接，消耗的能源也相对较少。
所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，创新设计超薄热管，保证了热管与动力电池单体交替叠置体的紧凑结构，同时热管、热界面结构和热沉的高度结合，高效散热又能管控热失稳，保证了超薄热管的商业应用的可能。
Claims (10)
1.一种动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，n个动力电池单体以固定行距(RS)间隔叠置形成叠置体，m个叠置体以固定列距(CS)间隔排列设置在电池框架中形成动力电池单体叠置模块(Ln×m)，其特征在于，
包括热管模块(100)和热沉模块(200)，所述热管模块(100)竖直地与动力电池单体交替叠置，所述热沉模块(200)通过热界面结构(50)热耦合地连接热管模块(100)；
热管模块(100)包括厚度变截面热管(10)，厚度变截面热管(10)包括窄截面蒸发部(11)和大截面冷凝部(12)，锥形过渡部(13)一体连接在窄截面蒸发部(11)和大截面冷凝部(12)之间，大截面冷凝部(12)设有开口，密封盖体(12.2)一体固化密封所述开口；
热沉模块(200)包括风道单元(20)和阻流形泡沫金属单元(40)，所述阻流形泡沫金属单元(40)包括多个泡沫金属块(41)，泡沫金属块设有通风孔(41.2)，多个泡沫金属块(41)沿风道单元轴向平行间隔设置在风道单元(20)以使得多个通风孔(41.2)的内孔形成一阻流形风道(42)。
2.如权利要求1所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，所述热界面结构(50)包括矩形脚部(51)、焊锡层(52)，矩形脚部(51)下部气密封地插入热管模块(100)，泡沫金属块(41)与m个矩形脚部(51)上部通过焊锡层(52)一体焊接。
3.如权利要求2所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，还包括流体通道单元(30)，流体通道单元的液体流动方向与风道单元(20)的气流方向垂直，多个厚度变截面热管(10)的窄截面蒸发部(11)液密封地穿过流体通道单元(30)底壁使得所述大截面冷凝部(12)和锥形过渡部(13)平行间隔设置在流体通道单元(30)中。
4.如权利要求3所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，所述流体通道单元(30)包括U形槽体(31)，U形槽体(31)对应热管部位开孔，在加热软化状态下让窄截面蒸发部(11)从开孔穿过，当U形槽体侧壁顶部一体焊接在所述风道单元(20)的底壁时，U形槽体底壁与窄截面蒸发部(11)外壁面液密封地一体焊接。
5.如权利要求1所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，所述阻流型风道(42)沿气流方向呈现风道横截面连续减小到风道喉部横截面，然后从风道喉部横截面连续增大，所述风道喉部横截面为入口横截面的1/3-1/4。
6.如权利要求1所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，所述窄截面蒸发部(11)内壁一体焊接有多个多孔柱体(15)。
7.如权利要求6所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，锥形过渡部(13)的厚度方向两侧壁与水平面夹角α回为60°≥α回≥45°，所述锥形过渡部(13)和大截面冷凝部(12)的内壁设有疏水性纳米涂层。
8.如权利要求7所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，所述矩形脚部(51)替换为半弧形泡沫金属块(53)，风道单元(20)外壁一体成型多个环形肋(21)，两个半弧形泡沫金属块(53)对合地设置在相邻环形肋(21)之间；半弧形泡沫金属块(53)内壁穿透风道单元管壁与泡沫金属块(41)通过焊锡层(52)一体焊接形成所述热界面结构(50)。
9.如权利要求8所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，厚度变截面热管(10)还包括蒸汽聚集部(16)和环形冷凝室(17)，所述大截面冷凝部(12)和锥形过渡部(13)形成蒸汽聚集部(16)，带有多个半弧形泡沫金属块(53)的风道单元(20)同轴地设置在外冷凝管(22)内，相邻环形肋(21)和外冷凝管(22)、风道单元(20)之间形成环形冷凝室(17)，蒸汽聚集部(16)通过蒸汽管(18)和回液管(19)连接所述环形冷凝室(17)。
10.如权利要求9所述动力电池单体叠置模块的厚度变截面热管冷却装置，其特征在于，两个所述热沉模块(200)沿车辆长度方向设置在动力电池叠置体的前上方；两个热沉模块(200)的每个环形冷凝室(17)交替对应连接动力电池叠置模块的每一列的m个厚度变截面热管(10)。
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