KR101542432B1 - 수소연료 공급용 예열냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소연료 공급용 예열냉각시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알칼리 방식의 수전해를 이용하여 생산된 수소가 압축기를 통해 압축저장되고, 저장된 수소가스가 차량의 수소연료탱크에 충전되기 전에 상기 수소가스를 기설정된 온도로 유지되도록 상기 수소가스와 열교환되는 예열냉각시스템에 있어서, 상기 예열냉각시스템은 고압의 수소가스가 공급되는 내관과, 상기 내관을 둘러싸도록 설치되어 상기 내관과 이격된 공간내에 열교환용 냉매가 공급되는 외관을 포함하는 이중관으로 형성되되, 상기 이중관은 상기 수소가스가 기설정된 온도로 변경되도록, 지그재그 형태로 배열되어 일정 길이의 유로가 형성된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 수소연료 공급용 예열냉각시스템의 열교환이 이중관 내에 냉매를 유입시켜 수소가스와 열교환되도록 하고, 열교환유로가 지그재그 형태로 이루어져 장치를 소형화할 수 있으며, 설치비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

수소연료 공급용 예열냉각시스템{PRECOOLING SYSTEM FOR HYDROGEN FUEL SUPPLY}

본 발명은 수소연료 공급용 예열냉각시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수전해조를 이용하여 생산된 수소를 연료전지용차량의 연료로 사용하기 위해 압축기를 통해 생산된 수소를 고압으로 압축저장하고, 압축저장되는 수소가스를 차량의 수소연료탱크에 충전하게 되는데, 이때에 고압으로 압축저장되는 수소가스는 온도가 높아져 충전시 수소연료탱크 내부온도가 매우 높아져 연료탱크의 안정성 문제가 발생되여, 이에 수소가스를 차량에 충전하기 전에 미리 냉각할 수 있는 수소연료 공급용 예열냉각시스템에 관한 것이다.

현재 에너지의 주류가 되고 있는 석탄이나 석유 등과 같은 화석 연료는 그 사용에 따라 배출되는 이산화탄소가 지구온난화의 주요 원인이 되고 있고, 또한, 화석 연료의 연소로 배출되는 질소산화물이나 유황산화물이 사람의 건강을 해치거나, 삼림을 파괴하는 산성비를 내리게 하는 원인도 되고 있다. 또한, 화석 연료의 매장량에 한계가 있어, 조만간 고갈될 것이라는 보다 근본적인 문제도 존재하고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 화석 연료의 소비를 줄이고, 화석 연료를 대체할 수 있는 자연 에너지를 이용하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.

화석 연료를 대체하기 위한 에너지로서는 태양광 발전, 풍력발전, 수력발전 등이 있다.

그러나 이러한 발전을 통해 공급되는 전력은 그대로 저장하거나 공급하는 것이 어려우며, 전지에 충전하는 방식은 전지 자체가 무겁고 자기방전에 의해 사용하지 않는 동안에도 소모되는 등의 문제점을 가지게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 저장 및 공급이 용이하며, 필요한 장소에서 폭넓게 이용할 수 있는 수소를 이용한 연료전지가 대두되고 있다.

연료전지는 수소와 산소의 화학반응에 의해 생성되는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는 전지로서, 자동차나 가정용 자가발전으로 사용되고 있다.

그러나 이러한 연료전지를 사용한 연료전지차량의 연료로 사용되기 위해서는 350bar 이상의 고압의 압축수소로 하지 않으면 자동차에 탑재되는 연료탱크의 용적을 크게 할 수 밖에 없으며, 연료탱크의 용적을 적게하면 당연히 주행거리도 짧아져 실용적이지 않게 된다.

이에 차량에 충전되는 수소가스는 수전해를 이용하여 생성된 수소를 압축기를 통해 압축 저장하고, 압축된 수소가스를 연료전지차량의 연료로 충전하게 되는데, 여기서 수소를 압축하게 되면 온도가 상승하여 차량의 수소연료탱크에 충전할 때에 수소연료탱크가 탄소섬유 재질로 내부온도가 100℃ 이상이면 안정성 문제로 인해 수소연료탱크 내부온도가 85℃ 이하로 유지되도록 해야한다.

이와 같이 차량에 충전되기 전에 수소가스를 미리 -20℃ 정도로 냉각한 다음, 고압으로 차량에 충전될 때에 85℃ 이하로 충전되도록 수소가스를 냉각하는 예열냉각장치가 필요하게 된다.

이를 위해 한국공개특허공보 제 2004-80332호에서는 수소를 냉각하기 위한 열 교환기에 대한 기술이 개시되어 있다.

이러한 열 교환기는 냉각수조 내부에 열교환파이프를 다수개 또는 코일형태로 배치하여 냉각수조 내부의 냉각수와 열교환되는데, 장치가 대형화되며 설치에 따른 비용이 상승하는 문제점이 발생된다.

따라서, 이러한 종래 예열냉각장치의 불합리한 점을 극복하고 장치를 소형화하고 설치비용을 줄일수 있는 수소연료 공급용 예열냉각시스템에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 장치를 소형화하고 설치비용을 줄일 수 있도록 지그재그 형태의 유로를 형성하는 이중관을 사용하여 열교환이 이루어지는 수소연료 공급용 예열냉각시스템을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 알칼리 방식의 수전해를 이용하여 생산된 수소가 압축기를 통해 압축저장되고, 저장된 수소가스가 차량의 수소연료탱크에 충전되기 전에 상기 수소가스를 기설정된 온도로 유지되도록 상기 수소가스와 열교환되는 예열냉각시스템에 있어서, 상기 예열냉각시스템은 고압의 수소가스가 공급되는 내관과, 상기 내관을 둘러싸도록 설치되어 상기 내관과 이격된 공간내에 열교환용 냉매가 공급되는 외관을 포함하는 이중관으로 형성되되, 상기 이중관은 상기 수소가스가 기설정된 온도로 변경되도록, 지그재그 형태로 배열되어 일정 길이의 유로가 형성된다.

여기서 상기 지그재그 형태로 배열되는 복수개의 이중관은 락피팅에 의해 상호 결합된다.

아울러, 상기 지그재그 형태로 배열되는 이중관의 단부는 3개의 결합공이 형성되는 T자형 락피팅에 의해 결합되되, 상기 외관은 유로가 'ㄷ'자 형태로 꺽이도록 상기 락피팅의 결합공에 결합되고, 상기 내관은 상기 락피팅을 관통하여 일직선상으로 일정부분 외부에 노출되어, 엘보에 의해 'ㄷ'자 형태로 결합되어 유로가 변경된다.

또한, 상기 내관은 'ㄷ'자 형상으로 결합되기 위해 상하부 2개의 엘보에 의해 상호 결합되고, 상기 2개의 엘보간에 설치되는 내관은 직경이 상이한 적어도 2개 이상의 분배관으로 상기 엘보에 각각 결합되어, 상기 수소가스가 이송되는 분배관을 선택적으로 변경하여 상기 내관내에서 수소가스가 이송되는 속도를 제어할 수 있다.

또한, 회전방향이 상이한 스크류돌기가 상기 내관의 내연에 길이방향으로 다수개 설치되어, 상기 스크류돌기에 의해 내관 내부에서 와류가 형성되도록 한다.

더욱이, 상기 외관의 내측으로 밸브를 통해 상기 냉매를 일정량으로 공급할 수 있는 냉매공급부와, 상기 이중관의 유로를 거쳐 열교환된 수소가스의 온도를 센싱하는 온도센싱부와, 상기 온도센싱부에서 센싱된 수소가스의 온도값에 따라 상기 냉매공급부에서 공급되는 냉매의 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함하여 제공된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 수소연료 공급용 예열냉각시스템의 열교환이 이중관 내에 냉매를 유입시켜 수소가스와 열교환되도록 하고, 열교환유로가 지그재그 형태로 이루어져 장치를 소형화할 수 있으며, 설치비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템에 따른 연료충전에 대한 전체 공정 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 예열냉각시스템의 이중관의 단부부분의 상세구조를 나타낸 부분사시도이다.
도 4는 엘보에 의해 'ㄷ'자 형상으로 결합되는 내관의 다른 결합구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 이중관의 단면구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템의 냉매공급 방법을 나타낸 전체 공정 블록도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템에 따른 연료충전에 대한 전체 공정 블록도이다.

도면을 참조하면, 수소가스(11a)를 연료로 활용하기 위해서는 수소가스(11a)가 일정 고압으로 압축하여 공급하는 것이 바람직하며, 이에 도면에서와 같이 수전해조로 생성된 수소가스(11a)를 350bar용 압축기(70)나 700bar용 압축기(70)를 통해 일정 고압으로 압축시킨 다음, 각 디스펜서를 통해 연료전지차량의 연료로 공급되도록 한다.

여기서 350bar로 압축된 수소가스(11a)는 예열냉각시스템(1)을 거지치 않고 바로 연료로 충전할 수 있지만, 700bar로 압축된 수소가스(11a)는 압력에 의해 가스 온도가 고온으로 형성되어 연료공급시 수소연료탱크 내부의 온도가 100℃ 이상으로 올라갈 수 있어, 700bar 디스펜서에서는 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템(1)을 통해 수소가스(11a)를 미리 -20℃ 정도로 예열냉각한 다음 차량에 충전될 때에 수소가스(11a)가 85℃ 이하로 충전되도록 한다.

아래에서는 상기와 같은 예열냉각시스템의 예열냉각 구조에 관해 더욱 자세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템의 구조를 나타낸 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템은 내관(11)과 외관(12)을 포함하는 이중관(10) 구조로 내관(11)에는 수소가스(11a)가 공급되고, 외관(12)에는 냉매(12a)(냉각수)가 공급되어 관의 길이방향을 따라 수소가스(11a)가 냉매(12a)에 의해 열교환되도록 한다.

더욱 자세히 설명하자면, 열교환용 이중관(10)은 고압의 수소가스(11a)가 공급되는 내관(11)과, 내관(11)을 둘러싸도록 설치되어 내관(11)과 이격된 공간내에 열교환용 냉매(12a)가 공급되는 외관(12)을 포함하여 구성된다.

이러한 이중관(10)은 내관(11)으로 공급되는 수소가스(11a)가 기설정된 온도값 즉, -20℃ 이하로 냉각되도록 이중관(10)의 길이가 일정길이로 이루어져야하며, 이에 본 발명에서는 공간체적 효율을 높이기 위해 이중관(10)을 지그재그 형태의 유로가 형성되도록 배열한다.

상기와 같이 지그재그 형태의 유로가 형성되도록 결합되는 이중관(10)은 웰딩방식에 의해 형성되는 것이 아니라, 복수개의 직선관을 락피팅(20)에 의해 상호 결합되도록 한다. 웰딩방식으로 관이음하게 되면 다량의 고압가스가 관내에 이송되면서 일직선으로 형성되는 유로가 단부에서 지그재그 형태로 꺽여 관내부 부압이 크게 발생되며, 이에 의해 관이 파손되거나 웰딩에 의해 기계적 품질이 저하될 수 있다.

이에 본 발명에서는 락피팅(20) 방식으로 필요에 따라 관을 교체하기 용이하도록 한다.

도면에서는 락피팅(20)이 T자형으로 이루어지고, 내관(11)의 일측 선단에서 수소가스(11a)가 공급되고, 수소가스(11a)가 공급되는 내관(11)의 선단 근방에 결합되는 락피팅(20)의 결합공으로 냉매(12a)(냉각수)가 유입되도록 하고, 수소가스(11a)는 내관(11)을 따라 상방으로 지그재그 형상의 유로를 따라 올라가며, 재차 지그재그 형상의 유로를 따라 하방으로 이송되면서 열교환이 이루어지도록 한다.

아래에서는 지그재그 형태로 결합되는 이중관(10)의 구조에 대해 더욱 자세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 예열냉각시스템의 이중관 단부부분 상세구조를 나타낸 부분사시도이다.

도면을 참조하면, 외관(12)의 단부는 락피팅(20)에 의해 상호 결합되어 'ㄷ'자 형상으로 지그재그 형태의 유로를 형성하게 되며, 내관(11)의 단부는 락피팅(20)을 관통하여 외관(12)의 'ㄷ'자 형상의 절곡된 부분을 지나 일직선상 길이방향으로 연장되어 내관(11)의 일정부분이 외부에 노출되며, 엘보(30)에 의해 'ㄷ'자 형상으로 절곡되고, 다시 락피팅(20)에 의해 외관(12) 내부로 유로가 형성되도록 결합된다.

더욱 자세히 설명하자면, 이중관(10)이 결합되는 락피팅(20)은 3개의 결합공이 형성되는 T자형으로, 도면에서와 같이 좌측에서 수소가스(11a)와 냉매(12a)가 유입되는 이중관(10)과 결합되는 제1결합공(21)과, 제1결합공(21)과 일직선상에 위치하여 우측의 내관(11)에 결합되는 제2결합공(22)과, 제1,2결합공 사이 상방으로 형성되는 제3결합공(23)을 포함한다.

즉, 횡방향으로 설치되는 외관(12-1)의 일단부가 락피팅(20)의 제1결합공(21)에 결합되고, 'ㄷ'자 형태의 유로를 형성하기 위해 횡방향의 외관(12-1)보다 짧은 길이를 가지며 종방향으로 설치되는 외관(12-2)의 일측이 제3결합공(23)에 결합되고, 종방향으로 설치되는 외관(12)의 타측은 락피팅(20)이 대향되도록 상방에 위치하는 다른 락피팅(20')의 제3결합공(23')에 결합된다. 이렇게 하여 외관(12)의 내부에 이송되는 냉매(12a)가 락피팅(20)에 의해 지그재그 형태의 유로를 따라 이송된다.

그리고 내관(11)은 락피팅(20)의 제1결합공(21)을 지나, 일직선상으로 연장되어 제2결합공(22)을 지나 외부로 일정길이가 노출되며, 고압용 엘보(30)에 의해외부로 노출된 내관(11)이 'ㄷ'자 형태로 유로가 형성되도록 결합되고, 외부로 노출된 내관(11)의 상단부는 외관(12)을 결합시키는 락피팅(20)중 상방에 위치하는 락피팅(20')의 제2결합공(22')에 결합되어 외부로 노출되지 않고 다시 외관(12)의 내부에 위치하도록 한다.

이러한 내관(11)과 외관(12)의 결합은 웰딩방식의 관이음으로 이음부가 형성되지 않도록 하여 기계적 품질을 향상시키며, 내관(11)이 외관(12)의 내부에서 'ㄷ'자 형태의 유로가 형성되지 않고, 일정부분 외관(12)을 관통하여 엘보(30)와의 결합에 의해 'ㄷ'자 형태의 유로가 형성된다.

이에 따라 내관(11)의 결합이음부에서의 문제가 발생하더라도 내관(11)의 이음부가 외부로 노출되어 교체가 용이하도록 한다.

또한, 이러한 락피팅(20)에 의한 관결합은 열교환량에 따라 관의 길이를 다양하게 하여 결합할 수 있어, 적용 범위가 매우 넓은 효과를 가지게 된다.

아울러, 외부로 노출되어 상기 엘보(30)에 의해 'ㄷ'자 형상으로 결합되는 내관(11)중 어느하나의 내관(11) 직경을 다르게 형성하여 내관(11) 내에서 이송되는 수소가스의 이송속도를 제어할 수도 있다.

도 4는 상기와 같이 엘보에 의해 'ㄷ'자 형상으로 결합되는 내관의 다른 결합구조를 나타낸 도면으로, 도면을 참조하면, 내관(11)은 'ㄷ'자 형상으로 결합되기 위해 상하부 2개의 엘보(30)에 의해 상호 결합된다.

여기서 도면에서와 같이 상하부에 위치하는 엘보(30)간에 결합되는 내관은 적어도 2개 이상의 직경이 상이한 분배관(11-1,11-2)으로 이루어지며, 분배관(11-1,11-2)은 일측과 타측이 상기 상하부에 위치하는 엘보(30)에 각각 결합된다.

그리고 엘보(30)의 내측에는 제2결합공(22)에 결합되어 엘보(30)로 연장되는 내관(10)으로부터 공급되는 수소가스가 어느 하나의 분배관(11-1,11-2)으로 공급되도록 수소가스의 유로를 결정하는 유로분배부(31)가 설치되어 수소가스가 이송되는 분배관(11-1,11-2)을 필요에 따라 선택적으로 변경하여 수소가스가 이송되는 속도를 제어할 수 있게 된다.

이와 같이 분배관(11-1,11-2)은 엘보(30)간에 종방향으로 설치되어, 횡방향으로 설치되는 내관(11)에 비해 중력에 의한 부하가 더 크게 작용하여 수소가스의 이송속도를 제어하는데 더 용이하다.

도면에서는 좌측에 위치하는 분배관(11-2)이 우측의 분배관(11-1)보다 직경이 크게 형성되어 있으며, 예를 들어 열교환율이 너무 높아 냉매와의 열교환이 적게 이루어지기 하기 위해서는 유로분배부(31)에서 수소가스가 직경이 더 큰 좌측의 분배관(11-1)으로 이송되도록 하여 수소가스의 이송속도를 높이도록 하며, 이와 반대로 열교환율이 낮으면 직경이 작은 우측의 분배관(11-2)으로 수소가스가 이송되도록 하여 이송속도를 줄임에 의해 열교환시간을 더 길게하도록 할 수 있다.

이외에도 분배관을 다수개 설치하여 상기와 같이 수소가스의 이송속도를 필요에 따라 제어할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 이중관의 단면구조를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 내관(11)의 내연에는 내관(11)의 길이방향을 따라 다수개의 스크류돌기(11b)가 형성된다. 여기서 스크류돌기(11b)는 동일한 회전방향이 아니라 상이한 회전방향을 형성하도록 하여 내관(11) 내부에 이송되는 고압의 수소가스(11a)가 스크류돌기(11b)에 부딪히면서 와류가 형성되도록 한다.

이에 의해 수소가스(11a)가 내관(11)의 내벽에 부딪히면서 외관(12)을 통해 이송되는 냉매(12a)와의 열전달 효율을 높이게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템의 냉매공급 방법을 나타낸 전체 공정 블록도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템은 냉각조수조(미도시)의 냉매를 밸브의 개폐에 의해 외관(12)으로 일정량 공급할 수 있는 냉매공급부(40)와, 본 발명에 따른 수소연료 공급용 예열냉각시스템에 의해 이중관(10)을 거쳐 열교환된 수소가스(11a)의 온도를 센싱하는 온도센싱부(50)와, 온도센싱부(50)에서 센싱된 수소가스(11a)의 온도값에 따라 냉매공급부(40)에서 공급되는 냉매(12a)의 공급량을 제어하는 제어부(60)를 더 포함하여 구성된다.

냉매(12a)공급에 대해 더욱 자세히 설명하자면, 이중관(10)을 통해 열교환된 수소가스(11a)의 온도를 온도센싱부(50)에서 센싱하여 온도값이 -20℃ 기준값보다 높으면, 냉매공급용 밸브(41)를 더 개방하여 냉매(12a)의 유량을 늘려 수소가스(11a)의 온도가 떨어지도록 하고, 온도센싱부(50)에서 센싱된 온도값이 -20℃ 기준값보다 낮으면, 냉매공급용 밸브(41)를 닫아 기준온도값이 유지되도록 한다.

이에 의해, 연료전지용차량의 연료로 공급되는 수소가스(11a)의 온도를 자동적으로 기준값으로 유지되도록 할 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허등록청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 이중관 11 : 내관
11-1,11-2 : 분배관 11a : 수소가스
11b: 스크류돌기 12 : 외관
12a : 냉매 20 : 락피팅
21 : 제1결합공 22 : 제2결합공
23 : 제3결합공 30 : 엘보
31 : 유로분배부 40 : 냉매공급부
41 : 냉매공급용 밸브 50 : 온도센싱부
60 : 제어부 70 : 압축기

Claims (6)

1. 알칼리 방식의 수전해를 이용하여 생산된 수소가 압축기를 통해 압축저장되고, 저장된 수소가스가 차량의 수소연료탱크에 충전되기 전에 상기 수소가스를 기설정된 온도로 유지되도록 상기 수소가스와 열교환되는 예열냉각시스템에 있어서,
   상기 예열냉각시스템은 고압의 수소가스가 공급되는 내관과, 상기 내관을 둘러싸도록 설치되어 상기 내관과 이격된 공간내에 열교환용 냉매가 공급되는 외관을 포함하는 이중관으로 형성되고,
   상기 이중관은 상기 수소가스가 기설정된 온도로 변경되도록, 지그재그 형태로 락피팅에 의해 상호 결합되어 일정 길이의 유로가 형성되되,
   상기 지그재그 형태로 배열되는 이중관의 단부는 3개의 결합공이 형성되는 T자형 락피팅에 의해 결합되고, 상기 외관은 유로가 'ㄷ'자 형태로 꺽이도록 상기 락피팅의 결합공에 결합되고, 상기 내관은 상기 락피팅을 관통하여 일직선상으로 일정부분 외부에 노출되어, 상하부 2개의 엘보에 의해 'ㄷ'자 형상으로 상호 결합되고, 상기 2개의 엘보간에 교체가능하도록 설치되는 내관은 직경이 상이한 적어도 2개 이상의 분배관으로 상기 엘보에 종방향으로 각각 결합되어,
   상기 수소가스가 이송되는 분배관을 선택적으로 변경하여 상기 내관내에서 수소가스가 이송되는 속도를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 수소연료 공급용 예열냉각시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   회전방향이 상이한 스크류돌기가 상기 내관의 내연에 길이방향으로 다수개 설치되어, 상기 스크류돌기에 의해 내관 내부에서 와류가 형성되는 것을 특징으로 하는 수소연료 공급용 예열냉각시스템.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 외관의 내측으로 밸브를 통해 상기 냉매를 일정량으로 공급할 수 있는 냉매공급부와,
   상기 이중관의 유로를 거쳐 열교환된 수소가스의 온도를 센싱하는 온도센싱부와,
   상기 온도센싱부에서 센싱된 수소가스의 온도값에 따라 상기 냉매공급부에서 공급되는 냉매의 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료 공급용 예열냉각시스템.
   

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