JP2009508978A - Ｏｒｃプロセスのための作動流体、ｏｒｃプロセスおよびｏｒｃ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は一体化された電気エネルギーおよび熱エネルギー生成のための熱ＯＲＣプロセスにおけるエネルギー変換のための作動流体に関する。使用される熱源は特に熱水である。使用される作動流体は、部分的にまたは過フッ素化された炭化水素、および／または部分的にまたは過フッ素化されたポリエーテル、および／または部分的にまたは過フッ素化されたケトンである。
本発明の一つの実施形態において、使用される作動流体は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンと分子量３４０かつ１０１．３ｋＰａにおける沸点が５７℃であるフッ素化ポリエーテルとの混合物である。

Description

本発明は、電気エネルギーおよび熱エネルギーの一体化された生成のための熱サイクルプロセスにおける、エネルギー変換に関するＯＲＣプロセスのための作動流体、ＯＲＣプロセスおよびＯＲＣプロセスを実行するための装置に関する。

ＯＲＣ（有機ランキンサイクル）プロセスはウィリアム・ランキンにちなんで名づけられた熱力学サイクルである。ＯＲＣ装置は熱エネルギーを電流に変換する。熱ＯＲＣプロセスにおいて、適切な作動流体を選択することにより、温度の差を橋かけ（ｂｒｉｄｇｅｄ）および活用することが可能になる。そのようなプラントは、ガラス製造、セメント炉、鋼炉および１５０℃を超える温度の廃熱を伴う他のプロセスに関して、プラントの廃熱から電気エネルギーを生成するために使用される。地熱、太陽熱、または廃棄物、バイオマスおよび他の液体若しくは個体燃料の焼却による廃熱、またはガスタービンの統合された操作および廃熱利用も、ＯＲＣプロセスによって可能である。

地熱は、直接利用されるか、または電気エネルギーに変換されるか、どちらかであり得る。地熱の電気エネルギーへの変換はさらに重要となりつつある。典型的には、有機作動流体（ＯＲＣ作動流体）を用いて操作される蒸気動力プロセスがここで使用される。有機作動流体を用いるシステムは、主な部品であるエバポレータ、タービン、コンデンサおよび供給ポンプ、ならびに付随する制御および調節要素から構成される。作動流体は、その熱力学的性質が存在する熱源に適合されるように選択される。比較的低い温度で蒸発する作動流体を使用することが好ましい。

地熱は、熱源として、温度が例えば約１８０℃の熱水の形態で使用される。より低い温度の熱水も熱源として使用できるが、その場合適切な低い蒸発温度を有する作動流体が選択されなくてはならない。

作動流体は熱源によって予熱され、その後過熱され、最終的にタービン内で減圧され、これが終了したとき、シャフトを通じて電気を生成するための発電機を駆動する。続いて、作動流体は凝縮され、供給ポンプによって再度圧縮して予熱器内部に再循環される。

経済的に実行可能な操作を保証するために、作動流体には特別な要件が求められる。特に、作動流体は熱源の熱容量を考慮して選択される。

作動流体は無毒性で、かつオゾンを破壊する可能性を持たないものでなくてはならない。さらに、出来る限り可燃性ではなく、また高温であってもなお適切に低い圧力を有するべきである。作動流体は熱安定性および化学的安定性に優れたものでなくてはならない。作動流体は典型的には金属部品で構成される閉回路内で使用されるため、使用される金属に対する反応性および腐食挙動の問題も同様に作動流体を選択するときの重要な面である。

タービンに関する資本コストを制限するため、高分子量の作動流体を使用することが有利であることがわかってきた。それらの速度が相対的に遅いために、重い分子の利用する運動エネルギーは最大のタービン速度において一つのタービンブレードリングで、または幾つかのタービンブレードリングで大量に放散され得る。より軽い、したがってより動きやすい流体の場合には、購入において、より高い回転速度を達成するためにより高価な大きなタービン、または２段階（ｔｗｏ−ｓｔａｇｅ）タービンが必要とされ、または追加のギアが組み込まれなくてはならない。

既に使用されている適切な作動流体の例として、ペンタンなどの炭化水素、またはトリフルオロメタン、テトラフルオロメタン、ペンタフルオロプロパンなどのハロゲン化炭化水素が挙げられる（欧州特許出願公開第００６６４３９号明細書、米国特許第６８８０３４４号明細書）。純粋な炭化水素を使用する場合に大いに不利な点が、それらの爆発性である。
欧州特許出願公開第００６６４３９号明細書 米国特許第６８８０３４４号明細書 国際公開第０２／３８７１８号パンフレット 欧州特許出願公開第１２６１３９８号明細書

本発明の目的は、エネルギー回収のための、特に約２００℃までの、好ましくは約１８０度までの、温度を有する熱源の利用のための作動流体を提供することであり、該作動流体は上述の要求を満たす。

本発明のさらに他の目的は、ＯＲＣプロセスを実行するための装置を提供することである。

本発明のこれらの目的、および他の目的は、部分的に、または過フッ素化された炭化水素、例えばテトラフルオロエタン、特に１，１，１，２−テトラフルオロエタン、ペンタフルオロプロパン、特に１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン、ヘキサフルオロプロパン、ヘプタフルオロプロパン、特に１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン、ペンタフルオロブタン、特に１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン、ヘキサフルオロブタン、ヘプタフルオロブタン、デカフルオロペンタン、ペルフルオロペンタン、ペルフルオロヘキサンまたはそれらの混合物の群から選択される少なくとも一つの化合物、および／または、部分的に、または過フッ素化されたポリエーテルおよび／または部分的に、または過フッ素化されたケトンの群から選択される少なくとも一つの化合物を含む作動流体によって；エネルギー回収のための、好ましくは約２００℃までの、好ましくは約１８０℃までの温度を有する熱源の利用のためのＯＲＣプロセスであって、部分的に、または過フッ素化された炭化水素、例えばテトラフルオロエタン、特に１，１，１，２−テトラフルオロエタン、ペンタフルオロプロパン、特に１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン、ヘキサフルオロプロパン、ヘプタフルオロプロパン、特に１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン、ペンタフルオロブタン、特に１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン、ヘキサフルオロブタン、ヘプタフルオロブタン、デカフルオロペンタン、ペルフルオロペンタン、ペルフルオロヘキサンまたはそれらの混合物の群から選択される少なくとも一つの化合物、および／または、部分的に、または過フッ素化されたポリエーテルおよび／または部分的に、または過フッ素化されたケトンの群から選択される少なくとも一つの化合物を含む作動流体が適用されるＯＲＣプロセスによって；および本発明によるＯＲＣ作動流体を含む装置によって、達成される。

以下では、ＯＲＣ作動流体について詳細に記述される。以下に詳細に記述されるＯＲＣ作動流体の好ましい実施形態は、それらが適用されるＯＲＣプロセスの好ましい実施形態でもあり、それらが備えられる装置の好ましい実施形態でもある。

上述のフッ素化炭化水素と上述のフッ素化ポリエーテルおよび／またはケトンとの混合物もＯＲＣプロセスの作動流体として使用されてよく、本発明による作動流体として好ましい。本発明の作動流体は、多数の適切な化合物またはこれらの化合物の混合物から、使用される作動流体の沸点が熱源の温度よりも低いように選択され、作動流体の蒸発が技術的に大きな困難を伴うことなく可能であるようにする。混合物の組成は、好ましくは、共沸混合物または実質的な共沸混合物が形成されるように選択される。

使用される作動流体は興味ある温度範囲内で安定であり、良好な熱力学的性質を有する。

適切な過フッ素化ポリエーテルは、例えば、国際公開第０２／３８７１８号パンフレットにおいて記述される。これらの過フッ素化ポリエーテルは本質的に炭素原子、フッ素原子および酸素原子で構成され、少なくとも二つの、好ましくは三つのＣ−Ｏ−Ｃエーテル結合、またはその定義を満たす幾つかの化合物の混合物を含む。過フッ素化ポリエーテルにおける酸素原子はもっぱらＣ−Ｏ−Ｃエーテル結合の中に存在する。過フッ素化ポリエーテルは一般的に約２００またはそれ以上の分子量を有する。一般的にそれらの分子量は約１５００未満である。もしもポリエーテルが幾つかの物質の混合物である場合、分子量は重量平均分子量である。一般的に、過フッ素化ポリエーテルは１０１．３ｋＰａにおいて４０℃以上の沸点を有する。過フッ素化ポリエーテルは、一般的に、１０１．３ｋＰａにおいて約２００℃以下の沸点を有する。調製の結果、これらの過フッ素化ポリエーテルは別個の物質の混合物であることが多い。

一般的に、過フッ素化ポリエーテルの動粘性率は２５℃において１ｃＳｔ（センチストーク）以下である。一般的に、動粘性率は２５℃において０．３ｃＳｔ以上である。

使用される過フッ素化ポリエーテルとしては、Ｓｏｌｖａｙ ＳｏｌｅｘｉｓからＧＡＬＤＥＮ（登録商標）およびＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）という商品名で市販される製品が好ましい。

例としては以下が挙げられる。
ＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ５５：１０１．３ｋＰａにおける沸点５７℃；平均分子量３４０
ＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ７０：１０１．３ｋＰａにおける沸点６６℃；平均分子量４１０
ＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）ＰＦＳ１：１０１．３ｋＰａにおける沸点９０℃；平均分子量４６０

使用される部分的にフッ素化されたポリエーテルとして適したものは、３ＭからＮＯＶＥＣ（登録商標）という商品名で市販されるヒドロフルオロエーテルであってよい。ＧＡＬＤＥＮ（登録商標）およびＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）系は通常４０から７６℃の範囲の沸点を有する多成分系である。

本発明の好ましい実施形態において、部分的にフッ素化された炭化水素として使用されるのは、特に、１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン（ＨＦＣ−３６５ｍｆｃ）、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ １３４ａ）、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ ２４５ｆａ）、またはそれらを互いに混合した混合物である。

使用される、部分的に、または過フッ素化されたポリエーテルは、ＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ５５、ＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ７０であることが好ましい。

ポリエーテルとフッ素化炭化水素との混合物も、本発明に関連して、適切な作動流体である。

使用されるフッ素化されたケトンは、一般式Ｒ−Ｃ（Ｏ）−Ｒ’の部分的にまたは過フッ素化されたケトンであり、ＲおよびＲ’は部分的に、または過フッ素化された物質であって、同じであるか若しくは異なっていてよく、フッ素化されたアルキル基であることが好ましい。しかしながら、Ｒは線形または分岐したアルキル基であってもよい。好ましくは炭素原子を１から６個有するフッ素化されたアルキル基も線形または分岐していてよく、その場合多くても２個のフッ素原子が水素によって置換されてよい。Ｒは過フッ素化されたイソプロピル基であることが好ましく、Ｒ’はトリフルオロメチルまたはペンタフルオロエチル基であることが好ましい。一つの実施形態において、使用される、部分的にフッ素化されたケトンは上述の一般式の化合物であり、Ｒは線形または分岐したアルキル基であり、好ましくはメチル基であり、Ｒ’は上で定義したものである。ケトンとフッ素化炭化水素との混合物も適している。これらのフッ素化されたケトンの調製は欧州特許出願公開第１２６１３９８号明細書に述べられている。適切なケトンの沸点は、０℃から約１５０℃の範囲内であり、好ましくは０℃から約１１０℃の範囲であり、とりわけ０℃から約７５℃の範囲である。

好ましい実施形態において、ＣＦ_３Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ_３）_２、ＣＦ_３ＣＦ_２Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ_３）_２、ＣＨ_３Ｃ（Ｏ）ＣＦ_２ＣＦ_２Ｈ、ＣＨ_３Ｃ（Ｏ）ＣＦ_２ＣＦＨＣＦ_３の群からのフッ素化されたケトンが使用される。さらなる好ましい実施形態では、ケトンが部分的に、または過フッ素化された炭化水素とともに作動流体として使用される。特に、ＨＦＣ−３６５ｍｆｃおよび少なくとも一つの上述のケトン化合物、好ましくはＣＦ_３Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ_３）_２、を含むまたはそれらからなる混合物が使用される。

好ましい実施形態は、一つまたはそれ以上のハイドロフルオロカーボンおよび一つまたはそれ以上の（部分的におよび／または過）フッ素化エーテルおよび／または一つまたはそれ以上の（部分的におよび／または過）フッ素化ケトンを含む混合物に関する。ハイドロフルオロカーボンとして特に好ましいのは、１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン（ＨＦＣ−３６５ｍｆｃ）および／または１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ ２４５ｆａ）を含むそのような混合物である。

国際公開第０２／３８７１８号明細書に記述される組成物が本発明による作動流体として特に適切である。

そこで記述される組成物において、過フッ素化されたポリエーテルに対するハイドロフルオロアルカンの重量比は、一般的に、５：９５以上であり、１０：９０以上である場合があり、好ましくは２５：７５以上である。過フッ素化されたポリエーテルに対するハイドロフルオロアルカンの重量比は、一般的に、９５：５以下であり、９０：１０以下である場合があり、好ましくは８５：１５以下である。

ＨＦＣ−３６５ｍｆｃおよび特に、国際公開第０２／３８７１８号パンフレットに記述される、過フッ素化されたポリエーテルＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ５５、ＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ７０またはＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）ＰＦＳ１から形成される二相共沸化合物または偽共沸化合物は、本発明によるＯＲＣ作動流体として有効な適切な混合物に関する例である。

さらなる特に好ましい実施形態において、使用される作動流体は混合比が６５から３５％のＨＦＣ−３６５ｍｆｃとＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ５５の混合物である。

ＨＦＣ−３６５ｍｆｃとハイドロフルオロエーテルの混合物、またはＨＦＣ−３６５ｍｆｃとペルフルオロヘキサンの混合物、またはＨＦＣ−３６５ｍｆｃとペルフルオロペンタンの混合物、またはＨＦＣ−３６５ｍｆｃとデカフルオロペンタンの混合物も、熱源として地熱水を使用する熱変換に関して、好ましい作動流体である。混合比は異なってよく、例えば５０／５０、４０／６０または６５／３５である。有利には、混合比は共沸化合物または実質的な共沸化合物の混合物が形成されるように選択されるべきである。

本発明の作動流体は特に約５０から１８０℃の温度の熱源から開始するエネルギー変換に関して使用されてよい。それらは特に熱水の形態における地熱の電気エネルギーへの変換に適する。他の熱源、例えば太陽熱、または廃棄物、バイオマス、若しくは他の液体若しくは個体燃料焼却からの廃熱を使用するエネルギー変換も考えられる。適切なバイオマスとして、例えば植物からのバイオマスまたは畜産からの排泄物が挙げられる。

同様に、例えば産業プロセスからの、本発明による廃熱を変換することも可能である。本発明の他の実施形態において、変換は一体化された熱と電力のための装置またはプラント、例えば共同ヒーティング／電力ステーションにおいて実施される。

上述の作動流体は、太陽エネルギーの変換を増加するために光起電力セルの冷却に適する。それによって吸収される熱エネルギーは、例えば本発明により、さらなる電気エネルギーに変換されるために使用されてよい。ここで冷却は、例えばフランジが取り付けられた構造要素を通じて、別個に実施されてよいが、さらに光起電力セルを作動流体内に直接浸漬することによって（浸漬冷却）実施されてもよい。

さらに、本発明による作動流体は、例えば分散された作業または処理機械、特にその中で太陽エネルギーが機械的エネルギーに変換される自給ポンプなどの、作業機械または処理機械内の熱源を直接使用するのに適用されてよい。用語「分散された」は、特にこれに関連して、作業または処理機械が、作業または処理機械の位置において自然に発生するか若しくは作業または処理機械の必要に応じて人工的に作られる熱源からのエネルギーを伴って本質的に本発明により与えられることを意味する。

複数の処理段階を組み合わせることは、例えば第２サイクル（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｙｃｌｅ）の形態、はプラントの効率を増大させることを可能にする。個々の第２サイクルにおいて使用される作動流体は同じであってよく、または異なっていてもよい。この場合、サイクルプロセスの個々の第２サイクルの廃熱は、各々の場合次のプロセスまたは次の段階に送られる。異なる作動流体を使用する場合において、作動流体は温度に応じて異なる蒸気圧を有するように選択されてよく、蒸気圧は各々最適な範囲内であるべきである。そのような第２回路（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）の連続する結合の結果として、例えば熱的な目的のために、各段階の後で熱エネルギーを得る可能性がある。

一つの実施形態において、熱水が深いポンプ（ｄｅｐｔｈ ｐｕｍｐ）でプラント内部に送られる。ここで、熱は予熱器および蒸発器内で作動流体に開放される。作動流体は、いわゆる第２回路内を循環し、供給ポンプにより圧力が増加した後、それは予熱器及び蒸発器を通過する。過熱された蒸気はタービン中で減圧され、シャフトを通じて、電気生成のためのジェネレータを駆動する。減圧は凝縮曲線上では進まず、むしろ常に湿潤飽和蒸気範囲の外側のままである。減圧された流体はこのようにさらに過熱され、この熱は作動流体が凝縮されて予熱器に戻される前に除去されなくてはならない。除去された熱は例えば部屋を暖めるのに使用されてよい。

好ましい作動流体、特にＨＦＣ−３６５ｍｆｃが６０から７０重量％、好ましくは６５重量％、およびＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ５５過フッ素化ポリエーテルを３０から４０重量％、好ましくは３５重量％である混合物が、上述の全ての用途に関して特に適する。

本発明のＯＲＣプロセスを実行するのに適する、本発明によるＯＲＣ作動流体を含む装置もまた本発明の目的である。そのような装置は原則的に知られている。それらは通常ＯＲＣ作動流体を加熱する手段、例えば蒸発器、任意に予熱器および／または過熱器、電流を生成するためのジェネレータに接続されたタービン、およびＯＲＣ作動流体のための熱消費器（コンデンサ）を含む。

図１は本発明による装置の図である。それは蒸発器Ｅ、蒸発器に接続されるライン１およびＯＲＣ流体が圧縮されるポンプＰを通じて熱消費器ＨＣを含む。ライン１を通じて、液体ＯＲＣ作動流体は熱消費器ＨＣから蒸発器Ｅに移送される。蒸発器Ｅはライン２を通じてタービンＴに接続される。ライン２を通じて、ＯＲＣ作動流体は蒸気の形態でタービンＴに移送される。タービンＴは電気エネルギーを生成するジェネレータＧに接続される。タービンＴはライン３を通じて熱消費器ＨＣに接続される。ライン３を通じてタービンを離れる蒸気は、熱消費器ＨＣ内で凝縮される。蒸発器Ｅは地熱、バイオマスなどの各々の熱源によって加熱されてよい。本発明による装置は、上述のＯＲＣ流体の一つを含む。熱消費器ＨＣ内で生成された熱は、例えば、部屋を暖めるのに使用されてよい。

本発明は以下に実施例を用いて説明される。

[例]
ＯＲＣプロセスは予熱器および蒸発器を通じて外部の熱供給から開始する。

使用される熱源は、温度が１００℃の地熱水であった。流体は、ＨＦＣ−３６５ｍｆｃとＧＡＬＤＥＮ（登録商標）ＨＴ５５の混合物（混合比６５／３５重量％）であり、蒸発器内で蒸発する。流体蒸気は電流を生成するためのジェネレータを駆動するタービンを通過する。出力側では、流体はコンデンサ（熱消費器）内部に通され、ここで凝縮された流体は予熱器内部に回収される。

本発明による装置の図である。

符号の説明

１，２，３ ライン
ＨＣ 熱消費器
Ｅ 蒸発器
Ｇ ジェネレータ
Ｔ タービン

Claims (12)

1. 部分的にまたは過フッ素化された炭化水素の群から選択される少なくとも一つの化合物、および／または、部分的にまたは過フッ素化されたポリエーテルの群から選択される少なくとも一つの化合物、および／または、部分的にまたは過フッ素化されたケトンの群から選択される少なくとも一つの化合物、またはこれらの化合物を互いに混合した混合物を含む、またはそれらからなる、ＯＲＣプロセスのための作動流体。
2. 部分的にまたは過フッ素化された炭化水素がテトラフルオロエタン、特に１，１，１，３−テトラフルオロエタン、ペンタフルオロプロパン、特に１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン、ヘキサフルオロプロパン、ヘプタフルオロプロパン、特に１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン、ペンタフルオロブタン、特に１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン、ヘキサフルオロブタン、ヘプタフルオロブタン、デカフルオロペンタン、ペルフルオロペンタン、ペルフルオロヘキサンまたはそれらの混合物の群から選択される少なくとも一つの化合物である、請求項１に記載のＯＲＣプロセスのための作動流体。
3. 少なくとも一つの部分的にまたは過フッ素化されたポリエーテルをさらに含む、請求項２に記載の作動流体。
4. 前記部分的にまたは過フッ素化されたポリエーテルの１０１．３ｋＰａにおける沸点が４０℃以上である、請求項１から３の何れか一項に記載の作動流体。
5. 前記部分的にまたは過フッ素化されたエーテルの１０１．３ｋＰａにおける沸点が約２００℃以下である、請求項１から４の何れか一項に記載の作動流体。
6. １，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンと少なくとも一つの過フッ素化ポリエーテルの混合物を含む、または前記混合物からなる請求項１から５の何れか一項に記載の作動流体。
7. 前記少なくとも一つの過フッ素化ポリエーテルの１０１．３ｋＰａにおける沸点が約５７℃である、請求項１から６の何れか一項に記載の作動流体。
8. 前記部分的にまたは過フッ素化されたケトンは、一般式Ｒ−Ｃ（Ｏ）−Ｒ’の化合物から選択され、Ｒはアルキル基であり、好ましくはメチル基であり、または線形若しくは分岐したフッ素化されたＣ１−Ｃ６のアルキル基であり、該アルキル基において多くても２個のフッ素原子が水素によって置換されていてよく、Ｒ’は線形若しくは分岐したフッ素化されたＣ１−Ｃ６のアルキル基であり、該アルキル基において多くても２個のフッ素原子が水素によって置換されていてよい、請求項１に記載の作動流体。
9. 前記フッ素化されたケトンは、ＣＦ_３Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ_３）_２、ＣＦ_３ＣＦ_２Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ_３）_２、ＣＨ_３Ｃ（Ｏ）ＣＦ_２ＣＦ_２Ｈ、ＣＨ_３Ｃ（Ｏ）ＣＦ_２ＣＦＨＣＦ_３からなる群から選択される、請求項１または８に記載の作動流体。
10. １，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンとＣＦ_３Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ_３）_２との混合物を含む、または前記混合物からなる、請求項９に記載の作動流体
11. 請求項１から１０の何れか一項に記載のＯＲＣ作動流体がＯＲＣ作動流体として使用される、熱を電気エネルギーに変換するためのＯＲＣプロセス。
12. 請求項１から１０の何れか一項に記載のＯＲＣ作動流体を含むＯＲＣプロセスを実行する装置。

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