DE3333116C2 - Kugelhahn, insbesondere für sehr hohe Drücke und Temperaturen - Google Patents

Kugelhahn, insbesondere für sehr hohe Drücke und Temperaturen

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Wilhelm H. Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Schröder
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Deutsche Audco Gmbh, 2081 Prisdorf
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Abstract

Kugelhahn, insbesondere für sehr hohe Drücke und Temperaturen, mit einem Gehäuse, das einen geraden Strömungsdurchgang aufweist, einer im Gehäuse schwimmend gelagerten Kugel, die den Strömungsdurchgang wahlweise sperrt oder über den Kugeldurchgang freigibt, einer Schaltwelle für die Kugel, die über eine Öffnung in das Gehäuse geführt ist, wobei die Öffnung so gewählt ist, daß Kugel und Sitzringe für die Kugel über die Öffnung montierbar sind, wobei sich ein Sitzring an einem in axialer Richtung federnden ringförmigen Element abstützt, das von einer Ringnut eines zweigeteilten Zentrierrings aufgenommen ist, dessen von der Gehäuseöffnung aus gesehen unterer Teil vor der Montage der Kugel und vor der Montage des Sitzringes und des ringförmigen Elements eingesetzt wird, und der radial gegenüber dem Gehäuse festgelegt ist, Spannmittel vorgesehen sind, die den oberen Teil gegen den unteren Teil des Zentrierrings spannen, und der Sitzring vom Zentrierring axial geführt und radial gesichert ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Kugelhahn, insbesondere für hohe Drücke und Temperaturen, mit einem einteiligen Gehäuse, das einen geraden Strömungsdurchgang und eine durch einen Deckel verschließbare Öffnung aufweist und mit einem durch die Öffnung in das Gehäuse einsetzbaren Kugelküken, das durch eine durch die Öffnung geführte Schaltwelle betätigbar und zwischen durch die Öffnung in das Gehäuse einsetzbare Sitzringe schwimmend gelagert ist, von denen ein Sitzring durch einen über eine axiale Fläche des Gehäuses im Gehäuse axial geführten und radial festgelegten Zentrierring gehalten ist und sich in axialer Richtung über ein sich an einer radialen Fläche des Gehäuses abstützendes federndes Element am Gehäuse abstützt.
  • Für Kugelhähne gibt es Einsatzfälle, in denen das Kugelküken und die Sitzringe nur einige Schaltvorgänge überleben. Dies ist etwa bei der Kohleverflüssigung der Fall. Die extremen Temperaturen und Drücke und die extreme mechanische Beanspruchung durch die Strömungsverhältnisse lassen diese Teile nach einigen Schaltvorgängen unbrauchbar werden. Es ist daher von Vorteil, wenn beim Auswechseln von Kugelküken und Sitzringen nicht die gesamte Armatur ausgebaut werden muß. Dies wird durch den eingangs angeführten, aus der US-PS 31 54 094 vorbekannten Kugelhahn gewährleistet, der die sogenannte Top-Entry-Bauweise ermöglicht.
  • Bei dem bekannten Kugelhahn werden die Sitzringe zusammen mit der Kugel montiert. Vor dieser Montage werden auf beiden Seiten in entsprechenden Ausnehmungen die Zentrierringe angeordnet, die begrenzt axial beweglich und radial durch das Gehäuse geführt sind. Die Zentrierringe sind über Federn am Gehäuse abgestützt. Die Zentrierringe sind im unteren Bereich axial erweitert und können mit Hilfe einer ringförmigen Feder, die in eine Ringnut der Sitzringe eingreift, diese radial zentrieren und axial führen.
  • Aufgrund der beschriebenen Anordnung hat die Öffnung beim bekannten Kugelhahn jedoch eine Weite, die größer ist als der axiale Abstand zwischen den einander fortgekehrten Stirnflächen der Sitzringe. Vor allem bei hohen Drücken erfordert eine große Öffnung einen entsprechend dicken Deckel sowie eine entsprechende Anzahl von Schrauben für ein dichtes Verschließen des Gehäuses. Der bekannte Kugelhahn baut daher verhältnismäßig schwer und groß. Außerdem gestaltet sich das Montieren des Kugelkükens mit beiden Sitzringen gleichzeitig verhältnismäßig schwierig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kugelhahn der eingangs genannten Art so auszuführen, daß alle inneren Bauteile, vor allem Kugelküken und Sitzringe, über eine kleinstmögliche Durchlaßöffnung eingebaut und ausgebaut werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Öffnung des Gehäuses so groß ist, daß das Kugelküken mit geringen Toleranzen noch einfügbar ist, daß der eine Sitzring in dem Zentrierring axial geführt und radial gesichert ist, daß der Zentrierring getrennt in das Gehäuse einsetzbare, durch Spannmittel gegeneinander spannbare Hälften geteilt ist, über einen radial nach innen weisenden Bund mit der axialen Fläche des Gehäuses zusammenwirkt und eine Ringnut aufweist, in der das federnde, ringförmig ausgebildete Element aufgenommen ist, das sich an der Rückseite des Sitzringes abstützt und daß der andere Sitzring über eine axiale Fläche mit einer axialen Fläche des Gehäuses zusammenwirkt und von einem Druckring, gegen den Schrauben eines Halterings wirken, der sich seinerseits an einem im Gehäuse festgelegten Abscherring abstützt, axial gegen das Gehäuse gepreßt ist.
  • Ringförmige Federelemente zum Aufbringen einer Vorspannung auf Sitzringe sind für ein Kegelküken aus der DE-OS 16 00 812 bekannt geworden. Die Sitzringe sind konisch angeordnet und wirken mit entsprechenden konischen Flächen des einteiligen Gehäuses zusammen. Ein derartiger Aufbau erfordert eine besonders große Einbauöffnung.
  • Beim erfindungsgemäßen Kugelhahn wird ein Sitzring unmittelbar vom Gehäuse geführt und mit Hilfe eines Druckrings gegenüber dem Gehäuse festgelegt. Dieser Sitzring kann daher vor dem Einbringen der Kugel montiert werden und daher auch in einer radialen Erweiterung des Gehäuses angeordnet werden, d. h. bezüglich der Öffnung verdeckt. Die Montage des ersten Sitzringes erfordert daher lediglich eine Öffnungsweite, welche ausreicht, den Sitzring durchzustecken.
  • Auf der anderen Seite des anderen Sitzrings ist ein Federelement an einer zur Öffnung hinweisenden radialen Fläche des Gehäuses abgestützt. Ferner ist der den Sitzring umgebende Zentrierring zweiteilig ausgeführt. Dadurch kann zunächst das untere Zentrierringsegment im Gehäuse angeordnet und raumgebend abgesenkt werden, bevor die Kugel eingesetzt wird. Das ringförmige Federelement kann erst nach dem Einsetzen der Kugel und des Sitzrings montiert werden. Der beschriebene Aufbau und die Federeigenschaft des Federelements ermöglicht auch das Hineingleiten zusammen mit den zugeordneten Sitzringen, bis beide Teile in der Mittenlage selbsthemmend verbleiben. Anschließend wird das zweite Zentrierringelement aufgesetzt und vorzugsweise mit Hilfe von Schrauben gegen das erste verspannt.
  • Ein derartiger Aufbau eines Kugelhahns ermöglicht eine sehr kleine Einbauöffnung. Diese hat zur Folge, daß der Deckel - natürlich nach Maßgabe der Betriebsdrücke - verhältnismäßig dünn dimensioniert werden kann. Dadurch wird die Dicke der Schrauben und deren Anzahl reduziert. Das Gewicht eines Kugelhahns kann daher verhältnismäßig klein gehalten werden. Auch die gesamte Baugröße ist dadurch relativ klein zu halten.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der radial nach innen weisende Bund des Zentrierrings eine ringförmige axiale Fläche aufweist, die mit einem ringförmigen Absatz des Gehäuses zusammenwirkt. Auf diese Weise ist der Zentrierring im Gehäuse axial geführt.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das ringförmige Element einen sich an der radialen Gehäusefläche abstützenden hohlen Stützring aufweist, der ein ringförmiges, axial wirkendes Federelement aufnimmt und am Stützring ein Montagehilfsring axial geführt ist, der sich über die offene Seite des Stützrings am Federelement abstützt. Der Montagehilfsring erleichtert das Einsetzen des Sitzrings, vor allem, wenn das Federelement scharfe Kanten, Ecken oder sperrige Formen aufweist.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Montagehilfsring im Querschnitt L-förmig und mit einem Schenkel von einer axialen Fläche des Stützrings geführt, während der andere Schenkel gegen die Rückseite des zugeordneten Sitzrings anliegt. Ein derartiger Montagehilfsring dient gleichzeitig als Abschirmung gegen das Eindringen von Feststoffen, wenn sie mit dem Fluid mitgeführt werden, wie das z. B. bei der Maische bei der Kohleverflüssigung der Fall ist.
  • Das Federelement kann z. B. eine Tellerfeder sein. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht hierzu vor, daß das Federelement eine wellenförmig aus Draht gebogene Feder ist, deren Wellen abwechselnd verschränkt sind. Eine wellenförmig aus Draht gebogene Feder, deren Wellen wechselnd verschränkt sind, ist an sich aus der GB-PS 8 66 302 bekannt geworden. Im bekannten Fall wird die Feder jedoch ausschließlich auf Biegung belastet. Sie ist daher für einen Einsatzfall beim erfindungsgemäßen Kugelhahn nicht geeignet. Im erfindungsgemäßen Fall wird die Feder ausschließlich auf Torsion beansprucht und ermöglicht daher bei kleinen Wegen die Ausübung einer hohen Kraft. Bei der erfindungsgemäßen Feder wird ihre Funktion auch beibehalten, wenn Feststoffe sich in ihrem Bereich ablagern sollten, z. B. sehr feine Kohlepartikel bei der Kohlehydrierung.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Kugelhahn der Erfindung, jedoch nur die obere Hälfte.
  • Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht einer Hälfte eines Zentrierrings des Kugelhahns nach Fig. 1.
  • Fig. 3 zeigt schematisch eine Feder zur Vorspannung eines Sitzrings des Kugelhahns nach Fig. 1.
  • Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Darstellung nach Fig. 3 entlang der Linie 4-4.
  • Ein einteiliges Gehäuse 10 eines Kugelhahns weist einen geraden Durchgang 11 auf, wobei der aufströmseitige Teil von einem zylindrischen Bohrungsabschnitt 12, einem konischen Bohrungsabschnitt 13 und einem wiederum zylindrischen Bohrungsabschnitt 14 besteht. Der abströmseitige Teil besitzt einen zylindrischen Bohrungsabschnitt 15. Die zylindrischen Bohrungsabschnitte 12 und 15 haben den gleichen Durchmesser, der auch gleich dem Durchmesser der Bohrung eines Stutzens 16 ist. Der Durchmesser des Bohrungsabschnitts 14 ist hingegen kleiner und entspricht dem kleinsten Durchmesser des konischen Bohrungsabschnitts 13.
  • Auf der Außenseite des Stutzens 16 sitzt ein radialer Flansch 17, der Bohrungen 18 enthält zwecks Anschluß an einen Rohrflansch. Es versteht sich, daß auch auf der anderen Seite des gezeigten Hahns ähnliche Anschlußmittel vorhanden sind.
  • Im Gehäuse 10 befindet sich ein Kugelküken 19. Es ist bezüglich der Drehachse 20 in einer um 90° versetzten Position dargestellt, wobei die in Fig. 1 rechte Hälfte den geöffneten und die linke Hälfte den geschlossenen Zustand anzeigt. Das Kugelküken 19 wird durch eine Schaltwelle 21 angetrieben, die durch eine Öffnung 22 des Gehäuses 10 geführt ist und über einen Zapfen 23, der in einer Nut 23 a des Kugelküken sitzt, mit dieser in Wirkverbindung steht. Die Schaltwelle 21 erstreckt sich durch eine Bohrung eines Deckels 24, der die Öffnung 22 verschließt und mit Hilfe von Schraubenbolzen 25 gegen das Gehäuse 10 gespannt wird. Eine Metall-Hohldichtung 26 sorgt für eine entsprechende Abdichtung. Eine Dichtungsanordnung 26 a, die an sich bekannt ist, dichtet die Schaltwelle 21 gegenüber dem Deckel 24 ab. Sie soll im einzelnen nicht beschrieben werden.
  • Der obere Abschnitt der Schaltwelle 21 ist von einem bei 27 angedeuteten Gehäusemantel umgeben, der auch einen Antrieb für die Schaltwelle 21 trägt. Der Gehäusemantel 27 wird mit Hilfe eines Ringes 28 und von Bolzen 29 an einem radialen Flansch 30 des Deckels 24 befestigt. Der Flansch 30 ist am Deckel 24 angeschweißt.
  • Die Schaltwelle 21 besitzt einen radialen Bund 31, der mit der Unterseite gegen eine plane Fläche 32 anliegt, welche die Öffnung 22 teilweise umgibt. Ein Teil der Öffnung 22 ist bei 33 ausgeweitet und derart gestaltet, daß für alle einzeln in das Gehäuse 10 eingebrachten Teile eine minimale Durchlaßöffnung vorhanden ist.
  • Auf der Oberseite des Bundes 31 befindet sich eine Scheibe 34, auf der sich ein Lagerring 35 abstützt, der eine sphärische Lagerfläche aufweist, die mit einer planen konischen Gegenfläche des Deckels 24 zusammenwirkt. Der Lagerring 35 hat Spiel zur Welle 21, kann sich mithin relativ zum Bund 31 radial und in der konischen Anlage taumelnd bewegen und dadurch die hohen Lagerkräfte im radialen Bund 31 und der Scheibe 34 durch absolute Anlage der Flächen übertragen.
  • Ein erster Sitzring 36 stützt sich mit einer radialen Fläche an einer radialen Gehäusefläche 37 ab. Eine axiale Fläche 38 wirkt mit einer axialen Fläche des Gehäuses 10 zusammen. Zwischen den radialen Flächen von Gehäuse und Sitzring 36 ist ein metallischer O-Hohlring 39 vorgesehen, der in einer Nut des Sitzringes 36 einsitzt. Mit einem äußeren radialen Bund 40 des Sitzringes 36 wirkt ein Druckring 41 zusammen, gegen den Druckschrauben 42 wirken, die in einen Haltering 43 eingeschraubt sind, der den Sitzring 36 umgibt. Der Haltering 43 stützt sich an einem dreigeteilten Abscherring 44 ab, der in einer Nut des Gehäuses 10 sitzt. Über die Schrauben 42 und den Druckring 41 wird der Sitzring 36 axial gegen das Gehäuse 10 gepreßt, um den Sitzring 36 festzulegen und eine wirksame Abdichtung herzustellen. Zwischen Sitzring 36 einerseits und Druckring 41 und Haltering 43 andererseits befindet sich ein minimaler Spalt, so daß der Sitzring 36 sich in begrenztem Maße verformen kann, um sich dem Kugelküken anzupassen.
  • Der Sitzring 36 besteht aus Stellite mit borierter Oberfläche.
  • Der andere Sitzring 45, der ebenfalls aus einem sehr harten Material besteht, stützt sich an der Rückseite auf einem im Querschnitt L-förmigen Montagehilfsring 46 ab, der seinerseits von einer in Fig. 1 gezeigten axial wirkenden Ringfeder 47 beaufschlagt ist. Die Ringfeder sitzt in einem Hohlraum eines Stützrings 48. Montagehilfsring 46, Ringfeder 47 und Stützring 48 bilden somit ein ringförmiges Element zur federnden Abstützung des Sitzrings 45. Der Stützring 48 sitzt passend in einer Nut 49 eines zweigeteilten Zentrierrings 50. Der Zentrierring 50 besitzt einen radial nach innen weisenden Bund 51, der mit einer axialen Fläche 52 des Gehäuses 10 zusammenwirkt. Die Lage des Zentrierrings 50 liegt im Stützring 48 gegenüber dem Gehäuse 10 radial fest, wobei der Stützring 48 sich mit einer radialen Fläche an einer radialen Fläche des Gehäuses 10 abstützt. Der Zentrierring 50 legt radial ebenfalls den Sitzring 45 fest, indem die Außenseite des Sitzrings 45 mit der Innenseite des Zentrierrings 50 zusammenwirkt, wobei jedoch eine Axialverschiebung des Sitzrings 45 möglich ist.
  • Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Zentrierring 50 aus einer oberen Hälfte 60 und einer unteren Hälfte 61 besteht. Die Teilungsebene ist mit 62 bezeichnet. Mit Hilfe von zwei Schrauben, von denen eine bei 63 gezeigt ist, können die beiden Hälften 60, 61 gegeneinander gespannt werden. Eine Abstandshülse 64 sitzt in einer Ausnehmung 65 der oberen Hälfte 60. Der Kopf 66 dieser Schraube stützt sich auf der Abstandshülse 64 ab, um eine nach unten wirkende Kraft auf die obere Hälfte 60 auszuüben. Auf diese Weise kann der Schraubenkopf 66 verhältnismäßig weit nach oben gelegt werden, um für die Montage und die Demontage von oben einfach und unverrückt zugänglich zu sein.
  • Die im Hohlraum des Stützringes 48 befindliche axial wirkende Ringfeder 47 kann z. B. eine ringförmige Wellenfeder gemäß Fig. 3 sein, deren Wellen verschränkt sind, wie in Fig. 4 angedeutet. Die Wellenfeder besteht z. B. aus Inconel, wodurch sie widerstandsfähig gegen aggressive Medien ist. Es versteht sich, daß jedoch auch andere Federn, z. B. eine Tellerfeder verwendet werden können. Letztere ist jedoch z. B. in Verbindung mit der Kohlehydrierung wegen der Möglichkeit des Eindringens von Kohlepartikeln in den Hohlraum nicht besonders geeignet.
  • Bei der Montage wird zunächst der Sitzring 36 in der oben beschriebenen Weise montiert. Anschließend wird das Kugelküken 19 eingesetzt. Vor dem Einsetzen des Kugelkükens 19 erfolgt jedoch das Einsetzen der unteren Hälfte 60 des Zentrierrings 50. Anschließend werden Montagehilfsring 46 und Stützring 48 mit Ringfeder 47 eingesetzt. Der Montagehilfsring 46 erlaubt das Hineinschieben des Sitzrings 45 entlang des Kugelkükens gegen die untere Hälfte 61 des Zentrierrings 50. Anschließend wird die obere Hälfte 60 des Zentrierrings aufgesetzt und mit Hilfe der Schrauben 63 gegen die untere Hälfte vorgespannt. Da sich beide Hälften 60, 61 in der oben beschriebenen Weise am Gehäuse 10 abstützen, bewirken sie eine Zentrierung des Stützrings 48 und des Sitzrings 45. Dieser kann sich um einen gewissen Betrag axial bewegen, um z. B. Wärmedehnungen auszugleichen.
  • Es sei nur am Rande erwähnt, daß der Durchgang 11 des Kugelkükens 19 aus einem ersten zylindrischen Bohrungsabschnitt und einem zweiten konischen Bohrungsabschnitt besteht, wobei der zylindrische Bohrungsabschnitt den gleichen Durchmesser wie der Bohrungsabschnitt 14, der Stützring 48 und der Sitzring 45 aufweist. Der konische Bohrungsabschnitt weitet sich zum Durchmesser des Bohrungsabschnitts 15 auf. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß bei einem Öffnen des Kugelhahns aus der Schließstellung der abströmseitige Bohrungsabschnitt 15 mit dem Durchgang 11 des Kugelkükens 19 zuerst in Verbindung tritt, bevor eine Verbindung mit dem aufströmseitigen Teil des Durchgangs 11 zustande kommt. Dadurch erfolgt die Hauptbelastung zwischen Sitzring 45 und entsprechendem Kugelkükenabschnitt, wenn extreme Bedingungen vorliegen, etwa Temperaturen bis 400°C und Drücke bis 400 bar.

Claims (8)

1. Kugelhahn, insbesondere für sehr hohe Drücke und Temperaturen, mit einem einteiligen Gehäuse, das einen geraden Strömungsdurchgang und eine durch einen Deckel verschließbare Öffnung aufweist und mit einem durch die Öffnung in das Gehäuse einsetzbaren Kugelküken, das durch eine durch die Öffnung geführte Schaltwelle betätigbar und zwischen durch die Öffnung in das Gehäuse einsetzbaren Sitzringen schwimmend gelagert ist, von denen ein Sitzring durch einen über eine axiale Fläche des Gehäuses im Gehäuse axial geführten und radial festgelegten Zentrierring gehalten ist und sich in axialer Richtung über ein sich an einer radialen Fläche des Gehäuses abstützendes federndes Element am Gehäuse abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (22) des Gehäuses (10) so groß ist, daß das Kugelküken (19) mit geringen Toleranzen noch einfügbar ist, daß der eine Sitzring (45) in dem Zentrierring (50) axial geführt und radial gesichert ist, daß der Zentrierring (50) in zwei getrennt in das Gehäuse (10) einsetzbare, durch Spannmittel ( 63) gegeneinander spannbare Hälften (60, 61) geteilt ist, über einen radial nach innen weisenden Bund (51) mit der axialen Fläche (52) des Gehäuses (10) zusammenwirkt und eine Ringnut (49) aufweist, in der das federnde, ringförmig ausgebildete Element (46, 47, 48) aufgenommen ist, das sich an der Rückseite des Sitzrings (45) abstützt, und daß der andere Sitzring (36) über eine axiale Fläche (38) mit einer axialen Fläche des Gehäuses (10) zusammenwirkt und von einem Druckring (41), gegen den Schrauben (42) eines Halterings (43) wirken, der sich seinerseits an einem im Gehäuse (10) festgelegten Abscherring (44) abstützt, axial gegen das Gehäuse (10) gepreßt ist.
2. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radial nach innen weisende Bund des Zentrierrings (50) eine ringförmige axiale Fläche aufweist, die mit einem ringförmigen Absatz des Gehäuses (10) zusammenwirkt.
3. Kugelhahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element einen sich an der radialen Gehäusefläche abstützenden hohlen Stützring (48) aufweist, der ein ringförmiges, axial wirkendes Federelement (47) aufnimmt und am Stützring (48) ein Montagehilfsring (46) axial geführt ist, der sich über die offene Seite des Stützrings (48) am Federelement (47) abstützt.
4. Kugelhahn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Montagehilfsring (46) im Querschnitt L-förmig ist und mit einem Schenkel von einer axialen Fläche des Stützrings (48) geführt ist, während der andere Schenkel gegen die Rückseite des zugeordneten Sitzrings (45) anliegt.
5. Kugelhahn nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (47) eine wellenförmig aus Draht gebogene Feder ist, deren Wellen wechselnd verschränkt sind.
6. Kugelhahn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscherring (44) dreigeteilt ist.
7. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (41) mit einem radialen Bund (40) des Sitzrings (36) zusammenwirkt.
8. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (22) eine radiale Erweiterung (33) aufweist.
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