DE102012112007A1 - Heating element e.g. surface heating element for heating food product, has filament structure whose parallel yarns are twisted or braided to form cord or cable, and electrical terminal that are arranged in ends of parallel yarns - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder Anspruch 5 sowie eine Verwendung des Heizelementes nach Anspruch 10.The present invention relates to a heating element according to the preamble of claim 1 or claim 5 and a use of the heating element according to claim 10.
Es ist bereits ein derartiges Heizelement bekannt, bei dem ein ohmscher Widerstand von elektrischem Strom durchflossen wird, so dass die elektrische Energie in Wärme umgesetzt wird. Die dabei üblicherweise verwendeten ohmschen Widerstände haben einen positiven Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, dass mit zunehmender Temperatur der ohmsche Widerstand immer größer wird. Beim Betrieb liegt an diesem ohmschen Widerstand eine konstante Spannung an. Damit nimmt der fließende Strom proportional ab zur Erhöhung des ohmschen Widerstandes. Bei der erreichbaren Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme kommt es infolge dessen zu einer quadratischen Abnahme der Umsetzung der elektrischen Leistung in Wärme mit der Reduzierung des fließenden Stromes.There is already known such a heating element, in which an ohmic resistance is traversed by electric current, so that the electrical energy is converted into heat. The ohmic resistors usually used have a positive temperature coefficient. This means that the ohmic resistance increases with increasing temperature. During operation, a constant voltage is applied to this ohmic resistor. Thus, the flowing current decreases proportionally to increase the ohmic resistance. As a result, the achievable conversion of electrical energy into heat leads to a quadratic decrease in the conversion of the electrical power into heat with the reduction of the flowing current.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative Ausgestaltung für ein Heizelement vorzuschlagen.The present invention is based on the object to propose an alternative embodiment for a heating element.
Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 gelöst durch ein Heizelement zur Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, wobei das Heizelement aus Carbon besteht, wobei das das Heizelement bildende Carbon-Material eine Filament-Struktur aufweist Das Carbon-Material besteht aus parallel verlaufenden Fäden oder aus einer Anordnung von Fäden, die zu wenigstens einer Kordel oder zu wenigstens einem Seil gedreht oder geflochten sind. Die Enden der parallel verlaufenden Fäden, der wenigstens einen Kordel oder des wenigstens einen Seils weisen dabei jeweils einen elektrischen Anschluss auf.This object is achieved according to claim 1 by a heating element for converting electrical energy into heat, wherein the heating element consists of carbon, wherein the heating element forming carbon material has a filament structure The carbon material consists of parallel threads or of an assembly of threads that are twisted or braided into at least one cord or at least one rope. The ends of the parallel threads, the at least one cord or the at least one cable each have an electrical connection.
Es hat sich gezeigt, dass gerade durch die Filament-Struktur ein guter Wirkungsgrad des Heizelementes erreichbar ist.It has been shown that a good efficiency of the heating element is achievable precisely by the filament structure.
Sofern das Carbon-Material zu wenigstens einer Kordel oder zu wenigstens einem Seil gedreht oder geflochten ist, bleibt vorteilhaft der gute Wirkungsgrad des Heizelementes erhalten. Gleichzeitig wird durch diese Struktur des Carbon-Materials dessen mechanische Stabilität erhöht.If the carbon material is twisted or braided to at least one cord or at least one rope, advantageously the good efficiency of the heating element is maintained. At the same time, this structure of the carbon material increases its mechanical stability.
Die Fäden können „massiv” aus Carbon hergestellt sein oder – wie im Zusammenhang mit dem Vlies gemäß Anspruch 7 erläutert – aus Carbonfäden, die als nanotubes ausgestaltet sind.The threads may be "solid" made of carbon or - as explained in connection with the nonwoven according to claim 7 - made of carbon threads, which are designed as nanotubes.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 sind die Filament-Struktur sowie deren elektrische Anschlüsse in eine Schicht aus temperaturbeständigem Silikon und/oder aus einem keramischen Material eingebettet.In the embodiment according to
Vorteilhaft wird dadurch das Carbon-Material mechanisch geschützt. Durch die umgebende Schicht wird dennoch die entstehende Wärme mit einem guten Wirkungsgrad abgegeben. Dabei erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, dass die genannten Materialien elektrisch isolierend sind. Abhängig von der Art zu erwärmender Flüssigkeiten können dadurch Kurzschlüsse vermieden werden.This advantageously protects the carbon material mechanically. The surrounding layer nevertheless gives off the resulting heat with good efficiency. It proves to be further advantageous that the materials mentioned are electrically insulating. Depending on the type of fluids to be heated, short circuits can be avoided.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist die Filament-Struktur mitsamt der umgebenden Schicht von einem metallischen Rohr umgeben.In the embodiment according to claim 3, the filament structure is surrounded by the surrounding layer of a metallic tube.
Vorteilhaft wird dadurch nochmals die umgebende Schicht mechanisch geschützt. Durch die gute Wärmeleitung des metallischen Rohres werden Temperaturunterschiede längs der Filament-Struktur an der wärmeabgebenden Oberfläche mit einer kurzen Zeitkonstanten ausgeglichen.Advantageously, the surrounding layer is mechanically protected again. Due to the good heat conduction of the metallic tube, temperature differences along the filament structure on the heat-emitting surface are compensated for with a short time constant.
Die Ausgestaltung mit dem metallischen Rohr erweist sich auch als vorteilhaft, wenn das Heizelement beispielsweise zum Erwärmen von Lebensmitteln, insbesondere von Flüssigkeiten verwendet werden soll. Abhängig von der Art des metallischen Rohrs, insbesondere von dem verwendeten Material, kann dies bei einem Kontakt des Heizelementes mit den Lebensmitteln besser geeignet sein als die Schicht aus Silikon bzw. dem keramischen Material.The embodiment with the metallic tube also proves to be advantageous if the heating element is to be used, for example, for heating foods, in particular liquids. Depending on the nature of the metallic tube, in particular on the material used, this may be better suited to a contact of the heating element with the food than the layer of silicone or the ceramic material.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 werden die elektrischen Anschlüsse gebildet, indem jedes der Enden der Filament-Struktur in das Ende jeweils eines metallischen Rohres eingebracht ist, wobei die Enden der metallischen Rohre im Bereich der Filament-Struktur verpresst sind.In the embodiment according to claim 4, the electrical connections are formed by each of the ends of the filament structure is introduced into the end of each of a metallic tube, wherein the ends of the metallic tubes are pressed in the region of the filament structure.
Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden metallischen Rohre kann dadurch dem Heizelement elektrische Energie zugeführt werden, die von dem Heizelement in Wärme umgesetzt wird.By applying an electrical voltage to the two metallic tubes can thereby be supplied to the heating element electrical energy, which is converted by the heating element into heat.
Das Verpressen der Rohre ist ein Arbeitsschritt, der einfach in der Ausführung ist, so dass dadurch die elektrischen Kontakte einfach, aber dennoch zuverlässig hergestellt werden können.The pressing of the tubes is a step that is simple in the design, so that thereby the electrical contacts can be made easily, but still reliable.
Die Aufgabe nach der vorliegenden Erfindung wird weiterhin gemäß Anspruch 5 gelöst durch ein Heizelement zur Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, wobei das Heizelement ein Vlies aufweist, das aus einem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt ist, wobei dieses Vlies mit metallischen Flächen kontaktiert ist, über die das Vlies zur Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme an eine Spannungs- bzw. Stromquelle angeschlossen wird.The object of the present invention is further achieved according to claim 5 by a heating element for converting electrical energy into heat, wherein the heating element comprises a nonwoven made of a carbonaceous material, said nonwoven being contacted with metallic surfaces over which the nonwoven fabric For converting the electrical energy into heat is connected to a voltage or current source.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer solchen Ausgestaltung eine sehr ausgeprägte Erwärmung der metallischen Flächen erfolgt. Das Vlies wird dabei nur sehr moderat erwärmt, obwohl dieses in thermischem Kontakt mit den metallischen Flächen ist. Dadurch wird die Wärmeenergie sehr konzentriert in den metallischen Flächen umgesetzt. Dadurch lässt sich die insgesamt erzeugte Wärme sehr effizient abführen und übertragen auf andere, zu erwärmende Gegenstände. It has been found that in such an embodiment, a very pronounced heating of the metallic surfaces takes place. The fleece is heated only moderately, although this is in thermal contact with the metallic surfaces. As a result, the heat energy is converted very concentrated in the metallic surfaces. As a result, the total heat generated can dissipate very efficiently and transferred to other objects to be heated.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist das Vlies ein Carbonvlies.In the embodiment according to claim 6, the fleece is a carbon fiber fleece.
Ein solches Carbonvlies ist für einen anderen Anwendungsfall beispielsweise in der
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 besteht das Carbonvlies aus röhrenförmigen Carbonfäden mit Durchmessern kleiner als μm (nanotubes).In the embodiment according to claim 7, the carbon fabric consists of tubular carbon threads with diameters smaller than μm (nanotubes).
Bei dieser Ausgestaltung sind die Effekte der effizienten Umsetzung der elektrischen Energie in Wärme besonders ausgeprägt aufgetreten.In this embodiment, the effects of the efficient conversion of electrical energy into heat have occurred particularly pronounced.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 8 sind die Carbonfäden zu einem Raster in zwei Laufrichtungen verbunden.In the embodiment according to claim 8, the carbon threads are connected to a grid in two directions.
Es hat sich gezeigt, dass mit dieser Struktur und Dimensionierung des Vlies die gewünschten Eigenschaften bei der Umsetzung elektrischer Energie in Wärme besonders gut erreicht werden können.It has been found that with this structure and dimensioning of the nonwoven the desired properties can be achieved particularly well in the conversion of electrical energy into heat.
Durch die Verwendung der nanotubes im Vlies wird der Strom sinnvoll begrenzt.By using the nanotubes in the fleece, the flow is sensibly limited.
Entsprechend nachfolgend beschriebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispielen kann mit dieser Ausgestaltung abhängig von einem auf eine Fläche ausgeübten Druck eine unterschiedlich starke Wärmeleistung erreicht werden. Dies ist beispielsweise sinnvoll bei Heizungen, die dann besonders stark sein sollen, wenn eine Person anwesend ist. Ebenso lässt sich eine solche Ausführungsform auch als Sensor verwenden. Abhängig vom ausgeübten Druck ändert sich der fließende Strom. Beispielsweise kann ein solcher Sensor ausgestaltet werden, indem eine derartige Ausgestaltung als Bodenmatte ausgebildet wird. Damit kann das Betreten der Bodenmatte durch eine Person detektiert werden.According to embodiments and examples of application described below, with this embodiment, depending on a pressure exerted on a surface, a differentiated heat output can be achieved. This is useful, for example, for heaters, which should be particularly strong when a person is present. Likewise, such an embodiment can also be used as a sensor. Depending on the applied pressure, the flowing current changes. For example, such a sensor can be configured by designing such a design as a floor mat. Thus, entering the floor mat can be detected by a person.
Bei der Ausgestaltung des Heizelementes nach Anspruch 9 bildet eine der metallischen Flächen die Außenoberfläche des Heizelementes.In the embodiment of the heating element according to claim 9 forms one of the metallic surfaces, the outer surface of the heating element.
Dies betrifft eine Ausgestaltung, bei der von den Außenoberflächen des Heizelementes lediglich eine dieser Oberflächen die Wärmeabgabefläche sein soll. Sofern mehrere Wärmeabgabeflächen vorgesehen sein sollen, können entsprechend auch mehrere Außenoberflächen durch die metallischen Flächen gebildet werden.This relates to an embodiment in which only one of these surfaces is to be the heat delivery surface of the outer surfaces of the heating element. If a plurality of heat-emitting surfaces are to be provided, a plurality of outer surfaces can accordingly be formed by the metallic surfaces.
Die Wärme kann von der Wärmeabgabefläche über Konvektion an die Raumluft abgegeben bzw. durch Wärmestrahlung.The heat can be transferred from the heat delivery surface via convection to the room air or by heat radiation.
Anspruch 10 betrifft die Verwendung eines vorgenannten Heizelementes mit einem Vlies aus den nanotubes als Drucksensor.Claim 10 relates to the use of an aforementioned heating element with a nonwoven fabric from the nanotubes as a pressure sensor.
Durch die Ausübung von Druck auf das Element ändert sich der fließende elektrische Strom. Durch eine Messung des Stromes kann daher der Druck sensiert werden.By applying pressure to the element, the flowing electric current changes. By measuring the current, therefore, the pressure can be sensed.
Insgesamt hat sich bei allen Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass ein solches Heizelement einen guten Sicherheitsstandard aufweist, weil es mit einer Niedervolt-Spannung (Schutzkleinspannung, d-.h.: Gleichspannung < 60 V bzw. Wechselspannung < 25 V) betrieben werden kann.Overall, all embodiments according to the present invention have shown that such a heating element has a good safety standard because it is operated with a low-voltage voltage (protective extra-low voltage, ie: DC voltage <60 V or AC voltage <25 V) can.
Dadurch wird der fließende Strom reduziert. Dennoch wird ausreichend und vor allen Dingen auch ausreichend schnell genug Wärme erzeugt. Es hat sich gezeigt, dass bei der Ausgestaltung des Heizelementes dieser Strom auch mit zunehmender Erwärmung des Heizelementes zumindest nahezu konstant bleibt und damit ständig und weiterhin auf konstantem Niveau elektrische Energie in Wärme umgesetzt wird.This reduces the flowing current. Nevertheless, sufficient and, above all, sufficiently fast enough heat is generated. It has been shown that in the embodiment of the heating element, this current remains at least almost constant even with increasing heating of the heating element and thus constantly and further at a constant level electrical energy is converted into heat.
Weiterhin kann durch Verwendung einer Schutzkleinspannung bis 24 V ein derartiges Heizelement auch ohne Isolator im Nassbereich von Wohnräumen eingesetzt werden. Andere Einsatzgebiete bestehen beispielsweise bei Wasserbetten oder auch in medizinischen Anwendungen.Furthermore, by using a safety extra-low voltage up to 24 V, such a heating element can also be used without insulator in the wet area of living spaces. Other applications exist, for example, in waterbeds or in medical applications.
Das beschriebene Heizelement kann flexibel in verschiedenen Größen produziert werden.The described heating element can be produced flexibly in various sizes.
Ebenso ist es möglich, durch eine Steuerung bzw. Regelung der anliegenden Spannung den fließenden Strom und damit auch die erzeugbare Wärmemenge pro Zeiteinheit (Wärmeleistung) zu kontrollieren. Beispielsweise ist es auch möglich, eine bestimmte Temperaturvorgabe in eine Sollspannung umzurechnen, die an das Heizelement angelegt werden soll.Likewise, it is possible to control the flowing current and thus also the amount of heat that can be generated per unit time (heat output) by controlling or regulating the applied voltage. For example, it is also possible to convert a specific temperature specification into a setpoint voltage that is to be applied to the heating element.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 oder auch nach Anspruch 8 oder 9 in Rückbeziehung auf Anspruch 7 ergibt sich eine druckabhängige Erhöhung der Heizleistung. Dies lässt sich damit erklären, dass bei Ausüben von Druck das innere Volumen der nanotubes reduziert wird. Dieser Effekt kann wiederum in Anwendung genutzt werden, bei denen abhängig von einem bestimmten Druck auf eine Fläche eine größere Wärmeleistung zur Verfügung gestellt werden muss.In the embodiment according to claim 7 or also according to claim 8 or 9 in relation to Claim 7 results in a pressure-dependent increase in the heating power. This can be explained by the fact that when pressure is applied the inner volume of the nanotubes is reduced. This effect can, in turn, be used in applications where greater heat output must be provided depending on a particular pressure on an area.
Dies kann beispielsweise sinnvoll genutzt werden bei einer Sitzheizung. Sobald eine Person Platz nimmt, wird die Heizleistung erhöht. Steht die Person wieder auf, wird die Heizleistung reduziert. Dabei wird das Heizelement als sich selbst steuerndes Heizsystem verwendet.This can be used meaningfully, for example, in a seat heater. As soon as a person takes a seat, the heat output is increased. If the person stands up again, the heat output is reduced. The heating element is used as a self-regulating heating system.
Eine andere Anwendung ist beispielsweise bei Alarmsystemen gegeben. Dies betrifft die Verwendung des Heizelementes als Drucksensor, wie dies durch Anspruch 10 beansprucht wurde.Another application is given for example in alarm systems. This relates to the use of the heating element as a pressure sensor, as claimed by claim 10.
Dabei ist es auch möglich, diese Eigenschaft zu nutzen durch eine Verwendung des Heizelementes als Sensor. Abhängig vom Druck wird entsprechend mehr oder weniger Wärme erzeugt. Durch eine Messung der Temperatur kann auf diese Wärmemenge rückgeschlossen werden, so dass damit eine indirekte Messung des Drucks möglich wird. Wie beschrieben kann anstelle der sich einstellenden Temperatur auch der fließende Strom gemessen werden.It is also possible to use this property by using the heating element as a sensor. Depending on the pressure, more or less heat is generated accordingly. By measuring the temperature can be deduced on this amount of heat, so that thus an indirect measurement of the pressure is possible. As described, instead of the self-adjusting temperature, the flowing current can also be measured.
Mit dem beschriebenen Heizelement lassen sich ohne Sensoren bestimmte Temperaturwerte erreichen. Diese hängen dann in einem stabilen Endzustand von der Wärmemenge ab, die an der Außenoberfläche des Heizelementes abgegeben wird. Wenn diese Wärmemenge pro Zeiteinheit der Wärmemenge pro Zeiteinheit entspricht, die im Heizelement erzeugt wird, ist ein stabiler Dauerzustand erreicht.With the described heating element can be achieved without sensors specific temperature values. These then depend in a stable final state on the amount of heat that is released on the outer surface of the heating element. If this amount of heat per unit time corresponds to the amount of heat per unit time that is generated in the heating element, a stable steady state is reached.
Durch die besondere Effizienz des Heizelementes wird ein guter Wirkungsgrad erreicht.Due to the special efficiency of the heating element a good efficiency is achieved.
In Verbindung mit einem Absorptionskühlsystem kann weiterhin kostengünstig Kälte erzeugt werden.In conjunction with an absorption cooling system can continue to be produced inexpensively cold.
Das Heizelement kann in beweglichen oder stationären Heizungs- und/oder Absorptionskältesystemen Verwendung finden. Dies gilt insbesondere für das Heizelement nach den Ansprüchen 5 bis 9.The heating element can be used in mobile or stationary heating and / or absorption refrigeration systems. This applies in particular to the heating element according to claims 5 to 9.
Das Heizelement – insbesondere nach den Ansprüchen 5 bis 9 – kann beispielsweise auch in herkömmlichen Zentralheizungsanlagen Verwendung finden als Heizelement eines Durchlauferhitzers. Ebenso kann ein derartiges Heizelement auch in anderen Geräten zur Anwendung kommen, die einen Durchlauferhitzer aufweisen. Dies gilt beispielsweise für Kaffeemaschinen.The heating element - in particular according to claims 5 to 9 - can for example also be used in conventional central heating systems as a heating element of a water heater. Likewise, such a heating element can also be used in other devices that have a water heater. This applies, for example, to coffee machines.
Bei Anliegen einer Spannung verhält sich das Carbonvlies wie ein ohmscher Widerstand und erwärmt sich.When a voltage is applied, the carbon fiber fleece behaves like an ohmic resistance and heats up.
Durch die Beschaffenheit des Verbundwerkstoffes lassen sich verschiedene Verarbeitungen realisieren wie beispielsweise verbügeln, vernähen, verkleben, laminieren, silikonieren, vergießen, verpressen, wickeln.Due to the nature of the composite, various processing can be realized such as ironing, sewing, gluing, laminating, siliconizing, casting, pressing, winding.
Gegenüber anderen ohmschen Widerständen erweist es sich bei dem Vlies als besonders vorteilhaft, dass dieses auch bei mechanischen Beschädigungen wie beispielsweise Anbohren (bei Verlegung als Fußbodenheizung oder als Wandflächenheizung in Wohn- oder Arbeitsräumen) oder durchstechen (beim Vernähen) keinen elektrischen Kurzschluss verursacht sondern ohne Funktionsstörung weiter betrieben werden kann.Compared to other ohmic resistors, it proves to be particularly advantageous in the case of mechanical damage such as tapping (when laying underfloor heating or wall surface heating in living or working areas) or piercing (when sewing), but without malfunction can continue to operate.
Weitere Vorteile sind:
- • Erreichbarkeit einer sehr geringen Aufbauhöhe bis zu Werten von 0,3 mm,
- • Erreichbarkeit eines sehr geringen Gewichtes bis zu 25 g/m2,
- • Möglichkeit der Verwendung einer Schutzkleinspannung,
- • gute EMV-Werte durch geringe Abstrahlung elektromagnetischer Felder (auch bedingt durch die niedrigen Ströme)
- • dynamische Heizleistung
- • kurze Anheizphase (bis zu < 1 Sekunde)
- • weitgehend wartungsfrei
- • gute Energieeffizienz
- • accessibility of a very low installation height up to values of 0.3 mm,
- • accessibility of a very low weight up to 25 g / m 2 ,
- Possibility of using a safety extra-low voltage,
- • good EMC values due to low emission of electromagnetic fields (also due to low currents)
- • dynamic heating power
- • short warm-up phase (up to <1 second)
- • largely maintenance-free
- • good energy efficiency
Ohne dass dies in den Figuren dargestellt ist, ist auch die Verwendung eines Heizelementes in einem Durchlauferhitzer möglich. Dazu umgibt ein Rohr ein wasserführendes Rohr in einem Teilbereich. Zwischen den Rohren ist ein Carbonfaservlies angeordnet. Das wasserführende Rohr ist an seinem einen Ende mit einem Zulauf und an seinem anderen Ende mit einem Rücklauf verbunden. Die Gesamtanordnung kann noch auf einer Grundplatte beispielsweise aus Aluminium angebracht sein.Without this being shown in the figures, the use of a heating element in a water heater is also possible. For this purpose, a pipe surrounds a water-carrying pipe in a partial area. Between the pipes a carbon fiber fleece is arranged. The water-carrying pipe is connected at its one end to an inlet and at its other end to a return. The overall arrangement can still be mounted on a base plate, for example made of aluminum.
Ein derartiger Durchlauferhitzer sowohl nach
An den beiden Enden der Filament-Struktur
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden metallischen Rohre
Die metallischen Rohre können beispielsweise Messingrohre sein oder auch Kupferrohre.The metallic tubes may be, for example, brass tubes or copper tubes.
Die Gesamtanordnung des Heizelementes mit der umgebenden Schicht
Mit einem Heizelement nach den Darstellungen der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19605582 A1 [0019] DE 19605582A1 [0019]
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-
2012
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE19605582A1 (en) | 1996-02-15 | 1997-08-21 | Bayer Ag | Graphite nonwovens as functional layers in diagnostic test kits |
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