KR20150039951A - 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기는, 지중에 형성된 지열공에 설치되어, 겨울에는 상기 지중의 온열을 이용하고, 여름에는 지중의 낮은 열을 이용하도록, 상기 지중과 열교환하는 지열교환배관; 상기 지열교환배관과 지열공 사이에 채워지는 채움재; 상기 지열교환배관과 연결되는 히트펌프; 및 상기 히트펌프에 연결되어, 건물 내부에 설치되는 냉난방부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 지중에 형성된 지열공에 설치되어, 상기 지중과 열교환하는 지열교환배관을 구비하되, 상기 지열공과 지열교환배관 사이에 상변화물질인 채움재를 채워서 구성함으로써, 열회수에 따른 열효율이 제고되는 효과가 있다.

Description

상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법{Ground Heat Exchange System Using Phase Change Material And Method For Installing Same}

본 발명은 지열을 에너지원으로 이용한 지중 열교환기에 관한 것으로, 더 상세하게는, 지중에 형성된 지열공에 설치되어, 상기 지중과 열교환하는 지열교환배관을 구비하되, 상기 시굴공과 지열교환배관 사이에 상변화물질인 채움재를 채워서 구성함으로써, 열회수에 따른 열효율이 저조한 단점이 있었던 종래의 지열을 이용한 열교환 시스템의 문제점을 해결하기 위한 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 20℃ 에서 상변화되되 체적이 일정하게 유지되도록 캡슐로 안정화시킨 상변화물질을 적용함으로써, 하절기에 지중온도가 30℃ 에 다다름에도 불구하고, 고체가 액체로 변화되는 과정에서 열을 회수하여 냉각효율이 극대화되고, 동절기에는 지중온도가 20℃ 이하로 내려가면 액체가 다시 고체로 변하는 과정에서 발열하도록 하는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업용이나 가정에서는 난방을 위해 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료가 직접 사용되거나, 이러한 화석연료를 이용하여 생산된 전력을 사용하고 있다.

그러나, 화석연료는 연소시 공해물질이 발생되어 환경을 오염시킬 뿐만 아니라, 화석연료의 사용으로 인해 매장량이 감소되고 있어, 최근에는 이러한 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원이 개발이 활발히 이루어지고 있다.

이러한, 대체 에너지원으로 풍력, 태양열 및 태양광, 지열 등을 포함할 수 있으나, 바람을 이용한 풍력이나 태양을 이용한 태양열 및 태양광의 에너지원을 생산하기 위해서는 지상에 대규모의 발전 장치가 설치되어야 하기 때문에, 이들 발전 장치의 설치 및 유지 보수에 대한 막대한 비용이 발생되고, 에너지 효율이 높지 않다는 단점이 있다.

반면에, 열 효율이 좋으면서 넓은 설치 면적이 요구되지 않고, 설치 및 유지 비용이 상대적으로 적게 소요되는 지열을 에너지원으로 이용하는 열 교환 시스템이 각광을 받고 있다.

이러한 지열을 이용한 열 교환 시스템으로 공개특허 제10-2004-0045780호는 지열교환기 설치방법 및 설치구조에 관한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 지열을 회수하도록 내부에 열전달 유체가 담긴 지열교환기(10)를 지중에 매설하고, 히트펌프(30)에서 지열교환기(10)를 통해 회수한 지열을 갖는 유체에 대해 열교환을 수행하는 기술이 개시되고 있다.

또한, 지열을 이용한 히트펌프 시스템으로 등록특허 제10-0556267호는 지열과 공기열을 이용한 하이브리드 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 무동력 자원인 지열 및 공기열을 이용하여 냉난방/급탕용 온수를 공급하는 사이클을 구비하며, 상기 2개의 사이클이 선택적으로 가동되도록 구성되되, 지열의 회수가 효율적으로 이루어지도록 지열교환관은 U형태의 다중튜브로 구성된다.

그리고, 지열교환 장치로서 등록특허 제10-1220897호는 열교환차단막;을 포함하여 구성되는 지열교환 장치에 관한 것으로서, 지하수층이 마련된 지하굴착공; 상기 지하굴착공 주위의 지표면에 타설되는 콘크리트층으로 이루어진 오염물질 유입방지구조; 코일 유닛으로 마련되는 열교환기; 순환펌프가 구비된 순환라인; 및 오염물질의 유입을 방지하도록 마련되는 열교환차단막;을 포함하여 구성된다.

또한, 지열교환 파이프 및 이를 구비하는 지열교환 시스템으로서 등록특허 제10-1088440호는 지열교환 파이프, 지열교환 시스템 및 그 시공방법에 관한 것으로서, 지중에 매설되며, 지열과 열교환하는 전열유체가 이동되는 파이프로서, 지하수가 유입되는 다수의 구멍이 형성되는 유공관과, 유공관 내에 삽입되며, 전열유체가 이동되는 열교환관을 포함하는 지열교환 파이프는, 지하수위가 존재하는 지중에서 용이하게 지열을 확보할 수 있고, 열교환관의 파손 시 열교환 파이프를 용이하게 교체할 수 있는 특징이 있다.

그러나, 동절기에는 열전달 유체가 따뜻하게 데워져서 실내로 공급하고, 반면 하절기에는 열전달 유체가 차갑게 식혀져서 실내로 공급하는 것이 바람직하나, 외부 온도가 극히 낮은 동절기 또는 외부 온도가 극히 높은 하절기에는 열회수에 따른 열효율이 극히 저조한 실정이었으므로, 열회수에 따른 열효율을 극대화 할 수 있는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.

[선행기술문헌]

1. 한국 공개특허공보 제10-2004-0045780호(2004.06.02.공개)

2. 한국 등록특허공보 제10-0556267호(2006.02.22 등록)

3. 한국 등록특허공보 제10-1220897호(2013.01.04 등록)

4. 한국 등록특허공보 제10-1088440호(2011.11.24 등록)

본 발명은, 지중에 형성된 지열공에 설치되어, 상기 지중과 열교환하는 지열교환배관을 구비하되, 상기 지열공과 지열교환배관 사이에 상변화물질인 채움재를 채워서 구성함으로써, 열회수에 따른 열효율이 저조한 단점이 있었던 종래의 지열을 이용한 열교환 시스템의 문제점을 해결하기 위한 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기는, 지중에 형성된 지열공에 설치되어, 겨울에는 상기 지중의 온열을 이용하고, 여름에는 지중의 낮은 열을 이용하도록, 상기 지중과 열교환하는 지열교환배관; 상기 지열교환배관과 지열공 사이에 채워지는 채움재; 상기 지열교환배관과 연결되는 히트펌프; 및 상기 히트펌프에 연결되어, 건물 내부에 설치되는 냉난방부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 지열교환배관은, 지상으로부터 50m 이상의 깊이로 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 채움재는 상변화물질인 것을 특징으로 한다.

상기 상변화물질은 캡슐내부에 담겨지는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치방법은, 지열공을 뚫는 단계; 시공된 상기 지열공에 지열교환배관을 삽입ㆍ설치하는 단계; 상기 지열교환배관이 삽입된 지열공 내부를 채움재로써 채우는 단계; 상기 채움이 완료된 지열공으로 물이 유입되지 않도록 그라우팅하는 단계; 상기 지열교환배관의 상단부에 히트펌프를 연결하는 단계; 및 상기 히트펌프에 냉난방부재를 연결하고 건물 내부에 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 지열교환배관은, 지상으로부터 50m 이상의 깊이로 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 채움재는 캡슐내부에 상변화물질이 담겨져서 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법에 따르면, 지중에 형성된 지열공에 설치되어, 상기 지중과 열교환하는 지열교환배관을 구비하되, 상기 지열공과 지열교환배관 사이에 상변화물질인 채움재를 채워서 구성함으로써, 열회수에 따른 열효율이 월등하게 제고되는 효과가 있다.

그리고, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법에 따르면, 20℃ 에서 상변화되고 체적이 일정하게 유지되도록 캡슐로 안정화시킨 상변화물질을 적용함으로써, 하절기에 지중온도가 30℃ 에 다다름에도 불구하고, 고체가 액체로 변화되는 과정에서 열을 회수하여 냉각효율이 극대화되고, 동절기에는 지중온도가 20℃ 이하로 내려가면 액체가 다시 고체로 변하는 과정에서 발열하도록 하여 냉각효율이 제고되는 또 다른 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 지열교환기의 설치상태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치상태를 나타내는 개략도이다.
도 3은 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기가 작동됨에 따라, 동절기에 난방이 이루어지는 것을 나타내는 개략도이다.
도 4는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기가 작동됨에 따라, 하절기에 냉방이 이루어지는 것을 나타내는 개략도이다.
도 5는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지중 열교환기의 설치상태를 나타내는 개략도이고, 도 3은 지중 열교환기가 작동됨에 따라, 동절기에 난방이 이루어지는 것을 나타내는 개략도이며, 도 4는 지중 열교환기가 작동됨에 따라, 하절기에 냉방이 이루어지는 것을 나타내는 개략도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기는, 지중(G)에 형성된 지열공에 설치되어 겨울에는 상기 지중(G)의 온열을 이용하고, 여름에는 지중(G)의 낮은 열을 이용하도록, 상기 지중(G)과 열교환하는 지열교환배관(100); 상기 지열교환배관(100)과 지열공 사이에 채워지는 채움재(200); 상기 지열교환배관(100)과 연결되어, 순환매체(도시하지 않음)의 액화와 기화를 박복시켜 수행하는 히트펌프(P); 및 상기 히트펌프(P)에 연결되어, 건물(H) 내부에 설치되어, 실내에 대하여 냉난방이 이루어지도록 하는 냉난방부재(300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 지열교환배관(100)은, 지상으로부터 50m 이상의 깊이로 설치되는 것이 바람직하다.

이는, 하절기에는 지중(G)의 온도가 최고 30℃ 까지 다다름에 따라, 상기 지열교환배관(100)을 지상으로부터 50m 이상의 깊이로 설치시킴으로써, 지중(G)의 온도가 대략 1 ~ 3℃ 가량 강하되도록 하기 위함이다.

도 2 내지 도 4에 도시되어 있듯이, 상기 지열교환배관(100)은 내측 유로를 따라 순환매체가 흐르도록 구성되는바, 나란하게 배치되는 한쌍의 수직배관; 및 상기 한쌍의 수직배관의 하단부를 통하도록 연결시켜 주는 유(U)자형상의 굴곡배관;을 포함하여 구성되는데, 상기 수직배관은 일정한 길이를 갖는 다수개의 단위 수직배관들이 나사결합 등의 방법으로써 일렬로 연장ㆍ결합되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 채움재(200)는 상변화물질(P.C.M; Phase Change Material)인 것을 특징으로 하며, 상기 상변화물질은 캡슐내부에 담겨지는 것이 바람직하다.

이하, 상변화물질에 대하여 살펴본다.

우선, 상변화기술은 미항공우주국(NASA)에서 시작된 것으로, 급격한 온도변화에 따른 우주선의 동체균열을 방지하고, 극심한 온도편차로부터 우주비행사들을 보호하기 위해 연구된 것으로서, 고체상태와 액체상태 사이의 상변화과정을 통하여 열을 흡수하였다가 온도가 내려가면 열을 방출시키는 원리를 활용하는 기술이다.

한편, 상변화기술은 많은 양의 열에너지를 저장하거나 방출하는 기술로서 우주선, 항공전자장비의 온도조절, 우주복, 태양열저장시스템에 적용되고 있으며, 점차 기능성 소비자제품으로 개발되고 있다.

여기서, 상변화는 어떤 물질이 고체에서 액체상태, 액체에서 고체상태, 액체에서 기체, 기체에서 액체상태 등, 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일종의 물리적 변화이다.

이러한 상변화 과정에서 모든 물질은 화학적 결합이나 형성 같은 화학적 반응이 아닌 분자의 물리적인 배열이 바뀌게 되는데, 물을 예로 들자면, 고체상태인 얼음은 액체상태의 물로 녹으면서 상변화과정을 거치는데, 이때 얼음은 녹으면서 주위로부터 많은 양의 열에너지를 흡수하여 저장하게 되며 주위온도는 낮아지게 된다.

또한, 상변화물질은 다른 물질보다 몇 십배, 몇 백배의 열에너지를 저장할 수 있어, 설정된 온도 이상으로 온도가 상승하면, 상변화물질은 열을 흡수하기 시작하고, 반대로 온도가 하강하면 저장된 열에너지를 방출하여 주위로 하여금 적정한 온도대를 유지시키게 한다.

본 발명은, 상기와 같이 작용하는 상변화물질을 채움재(200)로서 적용한 것으로서, 상기 상변화물질은 캡슐내부에 담겨지는 것이 바람직한데, 이는 캡슐내부에 상기 상변화물질이 담겨짐으로써 상기 상변화물질이 보다 더 안정화된 상태에 놓여지기 때문이다.

그리고, 상기 캡슐의 외형은 구형으로 형성하는 것이 바람직하데, 이는 구형(求刑) 타잎의 캡슐에 상변화물질을 채움으로써, 상기 구형(求刑) 타잎의 캡슐인 상기 채움재(200)가 지중(G)에 형성된 지열공 내측에서 공극(孔隙, air gap)이 최소화됨으로써, 본 발명의 지중 열교환기에 의한 냉각효율이 제고되기 때문이다.

그리고, 미설명부호 S는 순환펌프이다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기가 작동됨에 따라, 동절기에 난방이 이루어지하절기에 냉방이 이루어지는 것을 살펴본다.

우선, 지중(G)의 온도가 최고 30℃ 까지 다다르는 하절기에 있어서, 상기 채움재(200)인 상변화물질은 20℃에서 이미 상변화를 하여 고체가 액체로 상변화되는 과정에서 주위로부터 많은 량의 열에너지를 회수하게 되고, 이에 따라 상기 지열교환배관(100)과 연결되어 있는 히트펌프(P) 및 냉난방부재(300)가 작동됨에 따라, 상기 건물(H) 내부 실내는 최적의 냉방이 유지된다.(도 4 참조)

반면, 동절기가 됨에 따라 지중(G)의 온도가 20℃ 이하로 내려가면, 상변화가 반대로 이루어지는데, 이때 액체상태의 상변화물질이 고체로 상변화되는 과정에서 발열작용이 일어남에 따라, 상기 지열교환배관(100)과 연결되어 있는 히트펌프(P) 및 냉난방부재(300)가 작동됨에 따라, 상기 건물(H) 내부 실내는 최적의 난방이 유지된다.(도 3 참조)

도 5는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치방법을 나타낸 흐름도이다.

도 5를 참고하여, 본 발명의 일실시에에 따른 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치방법을 살펴본다.

도시되어 있듯이, 본 발명의 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치방법은, 지열공을 뚫는 단계(S100); 시공된 상기 지열공에 지열교환배관을 삽입ㆍ설치하는 단계(S200); 상기 지열교환배관이 삽입된 지열공 내부를 채움재로써 채우는 단계(S300); 상기 채움이 완료된 지열공으로 물이 유입되지 않도록 그라우팅하는 단계(S400); 상기 지열교환배관의 상단부에 히트펌프를 연결하는 단계(S500); 및 상기 히트펌프에 냉난방부재를 연결하고 건물 내부에 설치하는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 지열교환배관은, 지상으로부터 50m 이상의 깊이로 설치되는 것이 바람직하며, 상기 채움재는 캡슐내부에 상변화물질이 담겨져서 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법에 따르면, 지중(G)에 형성된 지열공에 설치되어, 상기 지중(G)과 열교환하는 지열교환배관(100)을 구비하되, 상기 지열공과 지열교환배관(100) 사이에 상변화물질인 채움재(200)를 채워서 구성함으로써, 열회수에 따른 열효율이 월등하게 제고되는 효과가 있다.

그리고, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기 및 그 설치방법에 따르면, 20℃ 에서 상변화되고 체적이 일정하게 유지되도록 캡슐로 안정화시킨 상변화물질을 적용함으로써, 하절기에 지중온도가 30℃ 에 다다름에도 불구하고, 고체가 액체로 변화되는 과정에서 열을 회수하여 냉각효율이 극대화되고, 동절기에는 지중온도가 20℃ 이하로 내려가면 액체가 다시 고체로 변하는 과정에서 발열하도록 하여 냉각효율이 제고되는 또 다른 효과가 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 지열교환배관
200 : 채움재
300 : 냉난방부재
G : 지중
H : 건물
P : 히트펌프

Claims (7)

1. 지중에 형성된 지열공에 설치되어, 겨울에는 상기 지중의 온열을 이용하고, 여름에는 지중의 낮은 열을 이용하도록, 상기 지중과 열교환하는 지열교환배관;
   상기 지열교환배관과 지열공 사이에 채워지는 채움재;
   상기 지열교환배관과 연결되는 히트펌프; 및
   상기 히트펌프에 연결되어, 건물 내부에 설치되는 냉난방부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 지열교환배관은, 지상으로부터 50m 이상의 깊이로 설치되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 채움재는 상변화물질인 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 상변화물질은 캡슐내부에 담겨지는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기.
   
5. 지열공을 뚫는 단계;
   시공된 상기 지열공에 지열교환배관을 삽입ㆍ설치하는 단계;
   상기 지열교환배관이 삽입된 지열공 내부를 채움재로써 채우는 단계;
   상기 채움이 완료된 지열공으로 물이 유입되지 않도록 그라우팅하는 단계;
   상기 지열교환배관의 상단부에 히트펌프를 연결하는 단계; 및
   상기 히트펌프에 냉난방부재를 연결하고 건물 내부에 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 지열교환배관은, 지상으로부터 50m 이상의 깊이로 설치되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치방법.
   
7. 제 5항에 있어서,
   상기 채움재는 캡슐내부에 상변화물질이 담겨져서 구성되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 지중 열교환기의 설치방법.

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