KR20100051076A - 자유 연소실 내부의 연소를 개선시키기 위한 장치 - Google Patents

자유 연소실 내부의 연소를 개선시키기 위한 장치 Download PDF

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KR20100051076A
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지온 바다쉬
일란 사디
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지온 바다쉬
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Abstract

본 발명은 에너지 열 변환기에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 어셈블리로서, 상기 공기 공급 어셈블리는 공기 유입구, 공기 배출구, 및 상기 공기 유입구와 상기 공기 배출구 사이의 공기 흐름 경로 내에 위치된 금속 요소를 포함하며, 금속 요소를 통해 유동되는 공기가 에너지 변환기에서의 연소를 위해 사용될 때, 에너지 변환기의 열 효율은 증가하고, 에너지 변환기의 연료 소비량은 감소되거나, 에너지 변환기에 의해 발생되는 공기 오염은 감소된다. 또한, 본 발명은 에너지 변환기의 연료 소비량을 감소시키기 위한 방법 및 에너지 변환기에 의해 발생되는 공기 오염을 감소시키기 위한 방법, 금속 요소에 공기를 통과시키는 단계 및 그 공기를 에너지 변환기에서의 연소를 위해 사용하는 단계로 구성되는 방법을 제공한다.

Description

자유 연소실 내부의 연소를 개선시키기 위한 장치{DEVICE TO IMPROVE THE BURNING INSIDE A FREE COMBUSTION COMPARTMENT}
본 발명은 자유 연소실 내부의 연소를 개선시키기 위한 장치에 관한 것이다.
매우 오래 전부터 연소 단계에 따라 작동되는 에너지 변환기가 공지되어 왔다. 시간이 지남에 따라, 에너지 변환기 작동 중 발생되는 오염의 양을 감소시키려는 노력 뿐만 아니라, 연료 내 에너지의 열 및/또는 기계 에너지로의 변환 효율을 개선하려는 노력이 이루어졌다. 수년에 걸쳐 상당한 진보가 이루어졌음에도 불구하고, 변환 효율 및 오염의 양에 대한 개선이 여전히 필요하다. 연소를 이용한 에너지 변환기는, 연소를 이용한 에너지 변환기를 개략적으로 나타내고 있는 도 1에 도시된 바와 같이, 여러개의 주요 유닛을 포함한다. 공기는 공기 공급 유닛(12)를 통해 공급될 수 있으며, 연료는 연료 공급 유닛(14)을 통해 공급될 수 있다. 공기와 연료는 연료-공기 공급 유닛(16) 내에 유입되어 서로 혼합되어, 동력 유닛(18)에 공급될 수 있으며, 이 동력 유닛에서 연료와 공기는 점화되거나, 아니면 연소되어, 고유 에너지가 열 및/또는 기계 에너지로 변환되며, 이 열 에너지 및/또는 기계 에너지가 에너지 변환기로부터 원하는 열 및/또는 기계 소비재 장치에 출력될 수 있다. 또한, 배기 가스는 에너지 변환기로부터 출력된다.
연료 내 에너지의 열 및/또는 기계 에너지로 변환시킴에 있어서, 수년간에 걸쳐 상당한 진보가 이루어졌음에도 불구하고, 변환 효율 및 오염의 양에 대한 개선이 여전히 필요하다.
본 발명은 에너지 변환 유닛에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 어셈블리로서, 상기 공기 공급 어셈블리는 공기 유입구, 공기 배출구, 및 상기 공기 유입구와 상기 공기 배출구 사이의 공기 흐름 경로 내에 위치된 금속 요소를 포함하여, 상기 금속 요소를 통해 유동되는 공기가 상기 에너지 변환 유닛 내에서 연소하는데 사용될 때, 상기 연소 엔진의 연료 소비량이 감소된다.
본 발명과 관련된 대상은 본 명세서의 결론부에서 특히 언급되며, 명확히 주장되고 있다. 그러나, 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명을 참조하면, 본 발명의 목적, 특징, 및 장점과 함께, 작동 구성 및 방법을 가장 명확히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 에너지 변환 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 에너지 변환 시스템의 블록 다이어그램의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 에너지 변환기의 에너지 변환을 위한 공기를 공급할 수 있는 공기 공급 어셈블리의 개방 위치의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 공기 공급 어셈블리에 포함될 수 있는 금속 요소의 전형적인 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변환기에 의해 발생되는 공기 오염을 감소시키거나, 변환기의 연료 소비량을 감소시키기 위한 에너지 변환기의 작동 방법을 나타내고 있는 개략적인 흐름도이다.
물론, 간략하고 명확한 설명을 위해, 도면에서 보여지는 요소는 반드시 실제 크기로 나타내어질 필요는 없다. 예를 들면, 일부 요소의 크기는 명확성을 위해 다른 요소들에 비해 크게 표현될 수 있다. 또한, 동일 또는 유사한 요소를 나타내기 위해, 도면에 따라 참조 번호가 적절한 부분에 반복적으로 사용될 수 있다.
다음의 상세한 설명에서는, 본 발명의 완벽한 이해를 제공하기 위해, 다수의 구체적인 세부 사항이 제시되어 있다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이들 구체적인 세부 사항 없이도 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 예에서는, 본 발명을 불분명하게 하지 않도록 하기 위해, 주지의 방법, 절차 및 부품이 상세히 설명되지 않았다.
본 발명의 발명자는 에너지 변환의 작동 개선을 위한 새로운 시스템 및 방법을 연구하는 중, 공기가 연소 엔진 안으로 유입되는 중에 금속 요소를 배치시키면, 공기는 금속 요소의 재료 전반에 걸쳐 유동하므로, 연료의 에너지가 열 및/또는 기계 에너지로 변환되는 에너지 변환 효율 및 변환기에 의해 발생되는 출력 파워 및/또는 열은 급격히 증가되는 반면, 변환기로부터 배출되는 오염의 양은 급격히 감소된다는 것을 발견하였다.
금속 요소(200)(도 3에 도시됨) 또는 이에 상응하는 대체물은 은, 금 등의 재료에 의한 박막 코팅 처리 유무에 상관없이 구리 등의 다양한 종류의 금속으로 이루어질 수 있다. 다음으로, 본 발명의 일부 실시예에 따른 에너지 변환 시스템(100)의 블록 다이어그램을 개략적으로 나타내고 있는 도 2를 참조하기로 한다. 에너지 변환 시스템(100)은 공기 공급 어셈블리(20), 연료 공급 유닛(14), 및 공기와 연료를 서로 혼합시키고, 공기-연료 혼합물을 변환 유닛(18)에 공급시키기 위해, 공기와 연료를 수용할 수 있는 연료-공기 공급 유닛(16)을 포함할 수 있다. 공기 공급 어셈블리(20)는 공기 유입부(24), 공기 배출부(26) 및 금속 요소(22)를 포함할 수 있다. 금속 요소(22)는 공기 유입부(24)와 공기 배출부(26) 사이의 공기 흐름 경로 내에 위치될 수 있다. 공기 유입부(24) 및/또는 공기 배출부(26)는 급기관(air duct), 공기 필터를 구비한 급기관 등을 포함할 수 있다. 금속 요소(22)는, 예컨대 금속 메시(metal mesh) 및/또는 금속 와이어 및/또는 금속층 및/또는 금속 박판(metal lamellas)을 포함할 수 있어서, 공기가 금속 요소(22)의 부분 전반에 걸쳐 유동하거나 그 부분을 관통하여 지나갈 수 있다.
연료 공급 유닛(14)은 연료 펌프 및/또는 연료 유동 조절기 등의 구비 여부에 상관없이 연료 탱크일 수 있다. 연료-공기 공급 유닛(16)은, 예컨대 기화기, 공기-연료 분무기, 온도 조절기 등일 수 있다. 공기는 공기 공급 어셈블리(20)를 유동 및/또는 통과하여, 연료-공기 공급 유닛(16)으로 유입된다. 연료-공기 공급 유닛(16)은, 예컨대 공기 공급 어셈블리(20) 및 연료 공급 유닛(14)으로부터 각각 수용될 수 있는 공기 및 연료를 유입하여 서로 혼합시킬 수 있다. 연료-공기 공급 유닛(16)은 공기와 연료의 혼합물을 변환 유닛(18)에 공급할 수 있으며, 이 변환 유닛(18)은 일부 실시예에 따르면 개방 연소실, 노(furnace), 건조실(oven) 등일 수 있다. 변환 유닛(18)은, 예컨대 공급된 공기와 연료를 연소 또는 점화시킴으로써 기계 및/또는 열 에너지를 생성하기 위해, 공기와 연료의 공급물을 사용할 수 있다. 발생된 에너지는, 예를 들면 자동차, 노 등을 위한, 예컨대 열 에너지 및/또는 기계 동력일 수 있다. 이러한 에너지 변환 과정의 결과로, 오염 가스, 예컨대 배기 가스가 에너지 변환 시스템(100)으로부터 주변으로 배출될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 금속 요소(22)에 걸쳐 유동되거나 통과하는 공기가 연료-공기 공급 유닛(16)에 의해 연료에 유입되거나 혼합되어, 이 혼합물이 예컨대 연소 과정에서 변환 유닛(18)에 의한 에너지 변환을 위해 사용되면, 배기 가스의 오염 수준은 감소될 수 있다. 또한, 변환 유닛(18)은 같은 양의 변환 에너지를 발생시키는데 보다 적은 양의 연료를 필요로 하는 바, 즉 이는 연료 효율이 증가되며, 연료 소비량은 감소될 수 있음을 의미한다.
다음으로, 금속 요소(200)를 포함하는 본 발명의 일부 실시예에 따른 에너지 변환 시스템의 공기 공급 어셈블리(150)를 개략적으로 나타내고 있는 도 3을 참조하기로 한다. 공기 공급 어셈블리(150)는 명확한 설명을 위해 "개방" 위치에 나타내어진다. 통상적으로는, 공기 공급 어셈블리(150)는 밀봉되어 있어서, 금속 요소(200)는 어셈블리 내에 둘러싸여진다. 공기 공급 어셈블리(150)는 공기 유입구(153)를 구비한 공기 유입부(152) 및 공기 배출구(155)를 구비한 공기 배출부(154)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 제조 및 설치되는 금속 요소(200)는 도 3에 도시되는 바와 같이 공기 공급 어셈블리(150) 내에 위치되므로, 공기 공급 어셈블리(150)를 유동하거나 통과하는 공기는 실제로 금속 요소(200)에 대해 직각을 이루며 유동할 수 있다. 금속 요소(200)가 공기 흐름 방향에 대해 하나 이상의 상이한 방식, 상이한 각도 및 위치로 공기 흐름 경로에 위치될 수 있음은 당업자들에게 있어 명백할 것이다. 금속 요소(200)는 적합한 임의 배열로 이루어진 금속 메시 및/또는 금속 와이어 및/또는 금속층 및/또는 금속 박막을 포함할 수 있으므로, 공기는 금속 요소(200)를 유동하거나 통과할 수 있다. 예를 들면, 금속 요소(200)는, 공기 흐름 경로 내에 적절히 위치되며, 공기 흐름 방향에 실제로 평행한, 1개 이상의 박판을 포함하므로, 금속 요소의 표면은 최소한으로 공기 흐름의 방해를 받으며 공기 흐름에 노출될 수 있다.
이하에서는 각각 금속 요소(200, 300)의 2개의 가능한 실시예를 도식적으로 예시하고 있는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명이 이러한 예로 한정되지는 않지만, 금속 요소(200)는 도 4a에 도시된 바와 같은 크리스크로스형 금속 와이어(crisscrossed metal wire)로 구성된 메시(200)가 가능하며, 이들 메시 사이에 제1 치수 "h" 및 제2 치수 "w"를 갖는 일반적인 형태의 직사각형을 형성하고 있다. 제1 치수 및 제2 치수 "h" 및 "w"는 등가의 일반적인 경우에는 와이어 사이에 정사각형 공간을 형성하고 있을 수도 있다. 와이어 사이의 공간의 형태는 6각형, 7각형, 8각형, 원형 등과 같은 어떠한 요구된 형태로 되어도 된다. 그 결과, 이들 공간을 형성하는 메시의 형태는 공기의 흐름에 대한 무시 가능한 인터럽트가 발생되고 또한 실질적으로 흐르고 있는 다량의 공기가 금속 요소(200)의 금속 메시와 접촉하도록 노출되는 한 어떠한 형태이어도 된다. 그러므로, 도 3 및 도 4a의 금속 요소(200)는 단지 도식적인 동시에 예시를 목적으로 하는 것이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 금속 요소는 튜브형 외부 바디(302) 및 성형된 다면(multi-facet) 급기관(304)을 포함하는 도 4b의 금속 요소(300)가 될 수도 있다. 외부 바디(302)는 본 발명의 다른 실시예에서는 생략될 수도 있다. 급기관(304)의 개수와 이들의 구체적인 형태는, 급기관을 통한 공기 흐름에 대한 급기관(304)의 인터럽트가 미약하고 또한 급기관을 통해 흐르는 다량의 공기가 급기관(304)을 터치하도록 옵션부(option)에 노출되는 한, 요구된 바대로 및/또는 원하는 바대로 변경될 수도 있다. 금속 요소(300)가 다양한 형상 및 크기를 가질 수도 있으며, 이것은 본 발명의 사상 내에 있는 것이라는 것은 본 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.
금속 요소(200, 300)는 다양한 재료 또는 이들 재료의 조성물로 구성될 수도 있다. 금속 요소(200, 300)는 예컨대 고형 구리(solid copper), 예컨대 80 ㎛의 두께로 금이 적층된 고형 구리, 고형 벌크의 금이 제공되어 있는 고형 구리, 은, 팔라듐 및/또는 플래티늄의 박막으로 코팅된 구리, 또는 메시와 유사한 다른 물리적 형태에서 전술된 모든 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 발명자는, 금속 요소가 에너지 변환 시스템(100)의 공기 흐름 경로 내에 삽입되어, 에너지 변환 유닛에 의해 소모되는 공기가 금속 요소를 통해 흐르거나 및/또는 통과할 때에, 어떠한 금속 또는 어떠한 금속들의 조성물을 사용하여 금속 요소(200, 300)를 구성할 경우에는, 연료 내에 저장된 화학적 내부 에너지를 예컨대 열에너지로 변환하는 효율에 있어서의 에너지 변환 유닛(18)의 성능이 더욱 커지게 되고, 배출 가스 내의 오염 가스의 양이 매우 낮아진다는 것을 발견하였다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 유닛(18)의 성능은 다양한 노(furnace) 및 히터의 작동을 감안하여 이를 반영한 상이한 조건에서 측정되었다. 본 발명의 일부 실시예에 따른 다양한 유형의 에너지 변환 시스템(100)의 성능에 대한 측정 결과가 아래의 표 1에 예시되어 있다.
이하에서는 본 발명의 발명자에 의해 행해진 실험의 결과를 나타내고 있는 표 1을 참조하여 설명한다. 표 1은, 소정의 가열 시스템에 대하여, 본 발명의 실시예에 따른 공기 공급 어셈블리(20)의 금속 요소(200)를 갖는 경우와 갖지 않는 경우의 가열 성능, 전체 오염 입자의 농도, 오염 가스의 색상, 소정의 노의 배출 가스 내의 SO2, NOx 및 CO의 농도를 비교하고 있다. 표 1은 금속 요소(200, 300)가 에너지 변환기에 설치되는 경우의 이들 파라미터의 향상을 나타내고 있다. 표 1은 최우측 열에 설명된 히터에 대한 측정 결과를 제공한다. 각각의 노에 대해, 사용 연료의 유형이 나타내어져 있으며, 전술한 타입의 측정 변수가 쌍으로 나타내어져 있어, 우측에는 금속 요소(200, 300) 없이 노가 작동한 때의 결과이고, 그 행의 좌측에는 실질적으로 동일한 조건 하에서 노가 금속 요소(200, 300)와 함께 작동한 때의 결과가 나타내어져 있다. 콘도미니엄 히터 A, B, C 및 D에 대해서는, SO2, NOx 및 CO가 측정되지 않았다.
노의 가열 성능은 측정되는 각종 노에 걸쳐 1 내지 10 시간의 기간 동안 금속 요소(200, 300)를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 장치를 요구된 온도까지 가열하기 위해 요구되는 평균 시간으로서 측정되었다. CO를 1ppm 분해능에서 ±5%의 정확도로 측정하고, 이산화탄소(CO2); SO2를 1ppm의 분해능으로 측정하고, NOx를 1ppm의 분해능으로 측정하도록 구성되는 연소 및 방출 분석기(Combustion and Emission Analyzer)로 지칭되는 "Ohler, type A500"으로 구성된 측정 장치를 이용하여 노의 다른 성능 파라미터를 측정하였다. 표 1은 연료와 공기 혼합물을 가열을 위해 구축된 16개의 상이한 노에서 열로 변환한 결과를 나타내고 있다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 모든 유형의 노에 대하여 실질적으로 모든 파라미터에서, 성능의 향상이 있었으며, 최저 결과치에서 10% 이상에서 65% 이상으로 또한 일부 경우에는 더 높은 결과치로 변화하였다.
표 1에 나타낸 성능은, 공기 유입구 어셈블리에 설치되거나 그에 인접하여 있는 금속 메시를 이용하여 달성되는 결과를 반영하고 있다는 것에 유의하기 바라며, 이 금속 메시는 도 3에 나타낸 바와 같이 공기 흐름 방향에 실질적으로 직각을 이루는 공기 필터 격실의 횡단면에 상당하는 외측 치수를 갖는다.
Figure pct00001
다양한 유형의 노 및 다양한 유형의 검사 파라미터에 대해, 다양한 노에서의 열에너지 생산 효율이 약 10%에서 약 50%로 향상되었다는 것이 명확하게 나타내어져 있다. 평방 미터 단위의 배기 가스당 밀리그램 단위의 오염 입자로 측정된 바와 같은 전체적인 오염은 약 20% 내지 약 66%의 범위로 향상되었으며, SO2/SO3, NOx 및 CO에 대해 측정된 바와 같은 비오염(specific pollution)은 본 발명의 실시예에 따른 시스템이 사용되는 때에는 대부분이 10% 내지 50% 감소되는 향상을 나타내었다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 연소 엔진에 의해 생성되는 공기 오염을 감소시키고 연소 엔진의 연료 소모를 경감하기 위한 에너지 변환 시스템의 작동 방법을 모식적으로 예시하는 흐름도인 도 5를 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예에 따라 작동하는 에너지 변환 시스템이 제공된 내연 엔진에 공기가 제공될 것이다(블록 502). 제공된 공기는 금속 요소 위에 흐르거나 및/또는 금속 요소를 통과하여(블록 504) 금속 요소의 외표면과 접촉하게 될 것이다. 금속 요소를 통해 흐른 공기는 에너지 변환 유닛에서 연소를 위해 이용된다(블록 506).
본 명세서에서는 본 발명의 특정한 특징을 예시 및 설명하였지만, 본 기술 분야의 당업자에 의해 다수의 수정, 대체, 변경 및 등가 구성이 가능할 것이다. 따라서, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 진정한 사상 내에 있기 때문에 첨부된 청구범위는 이들을 모두 포함하는 것으로 이해하여야 한다.

Claims (18)

  1. 에너지 변환 유닛에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 어셈블리에 있어서,
    공기 유입구;
    공기 배출구; 및
    상기 공기 유입구와 상기 공기 배출구 사이의 공기 흐름 경로 내에 위치된 금속 요소
    를 포함하고,
    상기 금속 요소를 통해 유동되는 공기가 상기 에너지 변환 유닛 내에서 연소하는데 사용될 때, 상기 연소 엔진의 연료 소비량이 감소되는,
    공기 공급 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 변환 유닛에 의해 발생되는 공기 오염이 감소되는, 공기 공급 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 요소는 구리를 포함한, 공기 공급 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 요소는 금속 메시(metal mesh) 및 금속 다면 금속 도관 중 하나 이상을 포함한, 공기 공급 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 요소는 금 적층물(gold lamination)을 포함한, 공기 공급 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 요소는 금속 와이어를 포함한, 공기 공급 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 요소는 금속층을 포함하고, 상기 금속층은 공기가 상기 금속층의 적어도 일부에 걸쳐 유동될 수 있도록 하는, 공기 공급 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 요소는 다공판(perforated plate)을 포함한, 공기 공급 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 요소를 통해 유동하는 공기가 상기 금속 요소의 표면으로부터 산소 분자를 이동시키는, 공기 공급 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료 소비량 감소는 목표 온도에 이르는 시간의 약 10% 내지 약 50%의 범위에 있는, 공기 공급 어셈블리.
  11. 에너지 변환 유닛에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 어셈블리에 있어서,
    공기 유입구;
    공기 배출구; 및
    상기 공기 유입구와 상기 공기 배출구 사이의 공기 흐름 경로 내에 위치된 금속 요소
    를 포함하고,
    상기 금속 요소를 통해 유동되는 공기가 연소 엔진 내에서의 연소를 위해 사용될 때, 상기 연소 엔진에 의해 발생되는 공기 오염은 감소되는,
    공기 공급 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 변환 유닛의 연료 소비량은 감소되는, 공기 공급 어셈블리.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 금속 요소는 구리, 은, 금, 팔라듐 및 플래티늄 중 하나 이상을 포함한, 공기 공급 어셈블리.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 금속 요소는 금속 메시 및 다면 금속 도관 중 하나 이상을 포함한, 공기 공급 어셈블리.
  15. 에너지 변환 유닛의 연료 소비량 감소 방법에 있어서,
    금속 요소를 관통하여 공기를 지나가게 하는 단계; 및
    상기 에너지 변환 유닛 내에서의 연소를 위해 상기 공기를 사용하는 단계
    를 포함하는,
    에너지 변환 유닛의 연료 소비량 감소 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    연소 엔진에 의해 발생되는 공기 오염을 감소시키는, 에너지 변환 유닛의 연료 소비량 감소 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 금속 요소는 구리, 은, 금, 팔라듐 및 플래티늄 중 하나 이상을 포함하는, 에너지 변환 유닛의 연료 소비량 감소 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 금속 요소는 금속 메시 및 다면 금속 도관 중 하나 이상을 포함하는, 에너지 변환 유닛의 연료 소비량 감소 방법.
KR1020107003871A 2007-07-22 2008-07-22 자유 연소실 내부의 연소를 개선시키기 위한 장치 KR20100051076A (ko)

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