DE2620230A1 - DEVICE FOR REGULATING THE TEMPERATURE OF A MEDIUM - Google Patents
DEVICE FOR REGULATING THE TEMPERATURE OF A MEDIUMInfo
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Description
Karlsruhe, P?.*0.5.* 1976Karlsruhe, P?. * 0 . 5th * 1976
ZJP/H/Sche.ZJP / H / Sche.
.INDUSTRIE-WERKE KARLSRUHE AUGSBURG Aktiengesellschaft
Gartenstraße 71
7500 KARLSRUHE 1.INDUSTRIE-WERKE KARLSRUHE AUGSBURG Aktiengesellschaft
Gartenstrasse 71
7500 KARLSRUHE 1
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Mediums, wie Flüssigkeit, Dampf, Gas od.dgl., welche im wesentlichen aus einem Temperaturfühler, einem Stellantrieb und einer Übertemperatursicherung besteht, welche ihrerseits mit einer Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt sind und hydraulisch miteinander in Wirkvefbindung stehen, und die Übertemperatursicherung aus einem Druckgefäß mit nachgiebiger Trennwand zwischen AusdehnungsflUssigkeit und einem unter Druck stehenden Gas gebildet ist.The invention relates to a device for regulating the Temperature of a medium, such as liquid, vapor, gas or the like, which essentially consists of a temperature sensor, an actuator and an excess temperature fuse, which in turn is filled with an expansion fluid are and are hydraulically connected to each other, and the excess temperature protection from a pressure vessel with a flexible partition between expansion fluid and a pressurized gas is formed.
Übertemperatursicherungen für Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art sind seit langem bekannt. Sie haben die Aufgabe die zugehörigen Thermostatsysteme beim Auftreten zu hoher Innendrücke vor Zerstörung zu bewahren. Indirekt schützen sie damit auch die zu regelnde Anlage. Eine bekannte Übertemperatursicherung besteht beispielsweise aus einer Stahlfeder, welche mit ihrer Kraft auf die QuerschnittsflächeOvertemperature fuses for devices of the type mentioned have long been known. You have the job to protect the associated thermostat systems from being destroyed if too high internal pressures occur. Protect indirectly they also control the system. A known excess temperature fuse consists, for example, of a steel spring, which with their force on the cross-sectional area
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-2--2-
- Ja -- Yes -
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eines Verstellschlauches wirkt. Sie gestattet jedoch nur Übertemperaturen in der Größenordnung von etwa 15 - 300C. Ein derartiger Übertemperaturbereich ist unter den derzeit üblichen und insoweit auch erforderlichen Geräte- bzw. Anlagen-Einsatzbedingungen nicht ausreichend. Bei höheren Temperaturen des Heizmediums verringert sieh sogar der Übertemperaturbereich noch, weil der Verstellschlauch neben der Übertemperaturbelastung auch durch die Einstellung auf höhere Sollwerte belastet wird.an adjustment hose acts. However, they only allowed excessive temperatures on the order of about 15 - 30 0 C. Such a high temperature range is not sufficient under the current standard and is thus also necessary equipment and plant operating conditions. At higher temperatures of the heating medium, the overtemperature range is even reduced, because the adjustment hose is loaded not only by the overtemperature load but also by the setting to higher setpoints.
Die DT-PS 865 83i hat sich unter Berücksichtigung der den bekannten Thermostatausbildungen anhaftenden Nachteile die Aufgabe gestellt, eine demgegenüber vorteilhaftere Übertemperatursicherung zu schaffen. Die danach vorgeschlagene Übertemperatursicherung ist als Balg-Druckspeicher ausgebildet. Bei dieser Sicherheitseinrichtung vermögen z.B. unter Druck— und / oder Bewegungs-Belastung, Volumenände— rungen im Balg aufzutreten. Diese haben ihre Ursache in der Eigenelastizität der Balgwandungen; die Volumenänderungen vergrößern dabei in unerwünschter Weise die Gesamtelastizi— tat des Thermostaten. Bei Einbau eines derartigen Druckspeicher-Balges in einen Thermostatfühler'wird ersterer bei Temperaturerhöhungen mitaufgehBizt, wodurch sich infolge der Erhöhung des Gasdruckes eine weitere unerwünschte Volumenänderung ergibt. Da die vorgeschlagene Übertemperatursicherung, nicht zuletzt wegen ihres beschränkten Bauvolumens, nur einen unwesentlich größeren Übertemperaturbereich etwa 20 - 40 C - zu erreichen vermag, kann sie der erwähnten Aufgabenstellung nicht gerecht werden.The DT-PS 865 83i has, taking into account the disadvantages inherent in the known thermostat designs Task set, a more advantageous overtemperature protection to accomplish. The overtemperature protection proposed thereafter is designed as a bellows pressure accumulator. With this safety device, for example, under pressure and / or movement loads, volume changes to occur in the bellows. These are caused by the inherent elasticity of the bellows walls; the volume changes increase the overall elasticity of the thermostat in an undesirable manner. When installing such a pressure accumulator bellows In a thermostat sensor, the former is also raised when the temperature rises, which, as a result of the An increase in the gas pressure results in a further undesirable change in volume. Since the proposed overtemperature protection, not least because of their limited construction volume, only an insignificantly larger overtemperature range, for example 20 - 40 C - can reach the mentioned one Task does not do justice.
Die sich auf die Ausbildung eines Thermostaten beziehende DT-PS 1 233 644 geht von der Erkenntnis aus, daß ein Metallfederbalg, welcher einerseits von Druckgas und andererseits vom Ausdehnungsmittel beaufschlagt wird, die nicht wünschenswerte Eigenschaft der Volumenänderung hat, wenn sich der Differenzdruck zwischen Außen- und Innenseite des Metallfederbalges ändert, wodurch letztlich die Gesamt-ElastizitätDT-PS 1 233 644, which relates to the design of a thermostat, is based on the knowledge that a metal bellows, which is acted upon on the one hand by pressurized gas and on the other hand by the expansion medium, the undesirable The property of volume change has when the differential pressure between the outside and inside of the metal spring bellows increases changes, which ultimately increases the overall elasticity
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des Thermostaten in ebenfalls unerwünschter weise eine Vergrößerung erfährt. Die der genannten Druckschrift zu Grunde liegende Erfindungsaufgabe bezweckt demgemäß, derartige Nachteile zu beseitigen und außerdem das Sicherheitsorgan zu vereinfachen. Die Erfindung nach dieser Patentschrift besteht deshalb folgerichtig darin, daß die zwischen dem Ausdehnungsmittel und dem Druckgas vorgesehene nachgiebige Trennwand durch eine Flachmembran, vorzugsweise Metallmembran, einer flachen Membrandose verkörpert ist, die im Inneren des Druckgasbehälters angeordnet und durch einen Kanal oder eine Leitung mit dem Inneren des Ausdehnungsmittel-Behälters verbunden ist, und daß die Flachmembran im zulässigen Arbeitsdruckbereich des Ausdehnungsmittels an der gegenüberliegenden Wand der Membrandose anliegt.of the thermostat also undesirably a Undergoes enlargement. The object of the invention on which the cited document is based accordingly aims at such To eliminate disadvantages and also to simplify the safety organ. The invention according to this patent specification is therefore logically that the provided between the expansion means and the pressurized gas is compliant Partition is embodied by a flat membrane, preferably a metal membrane, of a flat membrane box, which are arranged in the interior of the compressed gas container and through a channel or a line to the interior of the expansion medium container is connected, and that the flat membrane in the permissible working pressure range of the expansion means on the opposite wall of the diaphragm box.
Die Aufgabenstellung für diesen Vorschlag ist von hier weniger interessierendem Belang, da das Hauptaugenmerk auf das Problem der Elastizität des Thermostaten gerichtet ist, jedoch ist der Übertemperaturbereich auch bei dieser Lösung klein.The assignment for this proposal is from here of less interest, since the main focus is on the problem of the elasticity of the thermostat, however, the overtemperature range is also small with this solution.
Die dem Vorschlag zufolge vorgesehene Flachmembran erlaubt durch ihre Formgebung nur eine relativ geringe Volumenaufnähme bei vertretbaren Abmessungen. Die Volumenaufnahme entspricht auch in diesem Falle nur relativ geringen Übertemperaturen. So erlaubt eine nach dem Vorschlag hergestellte Flachmembran bei einem baulich vertretbaren Durchmesser von ca. 50 mm lediglich eine Übertemperatur von etwa iO°C. Bei geringfügig größeren aufzunehmenden Volumen wird die Fließgrenze des Membran-Werkstoffes überschritten, die Membran mithin einer bleibenden Formveränderung unterworfen, was schließlich zu deren Unbrauchbarkeit führt.The flat membrane provided according to the proposal allows only a relatively small volume uptake due to its shape with reasonable dimensions. In this case too, the volume uptake corresponds to only relatively low excess temperatures. Thus, a flat membrane produced according to the proposal allows a structurally acceptable diameter of approx. 50 mm only an excess temperature of approx. OK ° C. at slightly larger volume to be absorbed, the flow limit of the membrane material is exceeded, the membrane consequently subject to a permanent change in shape, which ultimately leads to their uselessness.
Dieser Membran-Druckspeicher hat im übrigen auch den Nachteil, daß der zum Erzielen eines ausreichenden Übertemperaturvolumens notwendige Membran-Durchmesser zu unvertretbar großen Bauvolumen führt; die unabdingbare Druckfestigkeit des Membran-Gehäuses erhöht den baulichen Aufwand weiter. Auch wird bei Überdehnung derartiger Membranen, welche beiThis membrane pressure accumulator also has the disadvantage that to achieve a sufficient excess temperature volume necessary membrane diameter leads to unacceptably large construction volume; the indispensable compressive strength the membrane housing further increases the structural effort. If such membranes are overstretched, which at
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den relativ geringen zulässigen Übertemperaturen praktisch unvermeidbar sind, ein zusätzliches Volumen erzeugt. Hierdurch wird der Sollwert in Richtung auf höhere Werte verschoben. Es liegt demgemäß auf der Hand, daß derartige Übertempera tursiclierungen für den praktischen Anwendungsfall, insbesondere bei höheren Heizmitteltemperaturen, unbrauchbar sind.the relatively low permissible excess temperatures are practically unavoidable, an additional volume is generated. Through this the setpoint is shifted towards higher values. It is therefore obvious that such excess tempera turntables for practical application, especially at higher heating medium temperatures, useless are.
Angesichts der im Vorstehenden beschriebenen Mängel und Nachteile bei den teils bekannten und teils vorgeschlagenen Thermostaten, bei denen die zulässigen Übertemperaturen in der Regel nicht höher als 20 - ^tO0C sind, hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Thermostaten ohne Hilfskraft zu schaffen, welcher, gemessen an den bekannten bzw. vorgeschlagenen Thermostat-Systemen, die Aufnahme wesentlich höherer Übertemperaturen ohne jegliche Beeinträchtigung der Betriebssicherheit und Lebensdauer gewährleistet. Die Übertemperatursicherung soll dabei einen vergleichsweise geringen Bauraum beanspruchen und zudem auch kostengünstig und baulich einfach sein.In view of the above-described deficiencies and disadvantages in the partly known and partly proposed thermostats, in which the permissible excess temperatures are usually not higher than 20 - ^ to 0 C, the present invention has the task of providing a thermostat without auxiliary power create which, measured against the known or proposed thermostat systems, ensures the absorption of significantly higher excess temperatures without any impairment of operational safety and service life. The excess temperature protection should take up a comparatively small amount of space and also be inexpensive and structurally simple.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die nachgiebige Trennwand zwischen Ausdehnungsflüssigkeit und dem unter Druck stehenden Gas aus der Kombination folgender, je für sich allein bekannter Merkmale besteht:This object is achieved according to the invention in that the compliant partition between the expansion liquid and the pressurized gas from the combination of the following, each of the individually known characteristics consists:
a) Gasdichtigkeit,a) gas tightness,
b) Metallelastizität,b) metal elasticity,
c) Nichtmetalligkeit undc) non-metallic and
d) mindestens eine wellenförmige, in den Gasraum des Druckgefäßes hineindrückbare Ausstülpung.d) at least one wave-shaped protuberance which can be pressed into the gas space of the pressure vessel.
In weiterer Ausgestaltung dieses die vorgeschlagene Erfindung tragenden Gedankens besteht die nachgiebige Trennwand aus einer Kunststoff-Folie.In a further embodiment of this idea, which carries the proposed invention, there is the flexible partition from a plastic film.
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Ein anderes Erfindungsmerkmal sieht vor, daß die Ausstülpung im Zentrum der Trennwand eine Abflachung aufweist und in eine ring- und/oder rinnenförmige Vertiefung übergeht, welche mit ihrem Außenumfang zwischen einem Deckel und einem Druckgefäß eingespannt ist.Another feature of the invention provides that the protuberance has a flattening in the center of the partition and merges into an annular and / or channel-shaped recess, which is clamped with its outer circumference between a lid and a pressure vessel.
Abgerundet und vervollkommnet wird die vorgeschlagene Erfindung schließlich auch noch dadurch, daß der den Bereich der Arbeitsflüssigkeit begrenzende Deckel des Druckgefäßes im wesentlichen der geometrischen Form der Trennwand entspricht und diese bei Normalbetrieb an der Innenwandung des Deckels anliegt.Finally, the proposed invention is rounded off and perfected by the fact that the area the working fluid limiting lid of the pressure vessel essentially corresponds to the geometric shape of the partition and this on the inner wall during normal operation of the lid.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung geht eine Reihe von Vorteilen einher, deren wichtigster darin zu sehen ist, daß die Übertemperatursicherung mit der aus einer Kunststoff-Folie bestehenden, nachgiebigen Trennwand hydraulisch Übertemperaturen aufnehmen kann, welche etwa bis zu 1509C oberhalb der am Temperaturfühler jeweils eingestellten Sollwert-Temperatur liegen. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der Flüssigkeitsthermostate selbst, als auch damit der Schutz vor Überhitzung der nachfolgenden Anlage entscheidend verbessert. Zugleich läßt sich durch die vorgeschlagene Erfindung die Anwendungsbreite dieser Geräte auch auf Anlagen mit sehr hohen Heizmitteltemperaturen ausdehnen. Bei Regelstrecken, welche nur kleine Zeitkonstanten aufweisen, so etwa Durchlauferhitzer mit großer Heizflächendichte, stehende Dampf-Wärmeaustauscher mit kondensatseitiger Regelung u.a.m., läßt sich unter Anwendung der vorgeschlagenen Erfindung nun ebenfalls ein optimaler Anlagenschutz erreichen.The proposed invention is accompanied by a number of advantages, the most important of which is that the excess temperature protection with the flexible partition made of a plastic film can hydraulically absorb excess temperatures which are up to 150 9 C above the temperature set on the temperature sensor Setpoint temperature. This significantly improves the operational safety of the liquid thermostats themselves, as well as the protection against overheating of the downstream system. At the same time, the proposed invention allows the scope of these devices to be extended to systems with very high heating medium temperatures. In the case of control systems which have only small time constants, such as continuous flow heaters with a large heating surface density, standing steam heat exchangers with control on the condensate side, etc., optimal system protection can now also be achieved using the proposed invention.
Auf Grund einfachen Aufbaus und geringen Bauvolumens ist die vorgeschlagene Lösung zudem auch weitaus preiswerter als die bekannten Lösungen.Due to the simple structure and small size, the proposed solution is also much cheaper than the known solutions.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei zeigt In the drawing, the invention is shown using an exemplary embodiment. It shows
Fig.i die Form der nachgiebigen Trennwand undFig.i the shape of the flexible partition and
Fig.2 ein Anwendungs- bzw. Einbau-Beispiel für die nachgiebige Trennwand nach Fig. i2 shows an application or installation example for the flexible partition wall according to FIG
Die in Fig. i dargestellte, aus einer praktisch gasundurchlässigen Kunststoff-Folie bestehende und als nachgiebige Trennwand i ausgebildete Membran weist mindestens eine wellenförmige Ausstülpung la auf, welche nach Übergang zum Zentrum ib hin dort mit einer konzentrisch verlaufenden ring- und/ oder rinnenformigen Vertiefung ic versehen ist.The one shown in Fig. I, from a practically gas-impermeable A membrane made of plastic film and designed as a flexible partition i has at least one wave-shaped membrane Protuberance la, which after transition to the center ib there with a concentrically extending ring and / or groove-shaped recess ic is provided.
In Fig. 2 ist in einem Gehäuse 2 eine Sollwert-Reguliereinrichtung 3 sowie ein Druckgefäß k angeordnet. Das Innere dieses Gefäßes, in welchem sich eine als nachgiebige Trennwand 1 ausgebildete Membran befindet, ist mit einem unter bestimmten statischen Druck stehenden gasförmigen Medium 5» wie etwa Stickstoff, gefüllt. Der das Druckgefäß k verschließende Deckel 6 ist mit einem Gewinde-Nippel 7 in das Gehäuse 3a der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 eingeschraubt. Die Membran 1 ist mit ihrem Außenumfang id zwischen dem Deckel 6 und dem Druckgefäß k gasdicht eingespannt.In FIG. 2, a setpoint regulating device 3 and a pressure vessel k are arranged in a housing 2. The interior of this vessel, in which there is a membrane designed as a flexible partition 1, is filled with a gaseous medium 5, such as nitrogen, which is under certain static pressure. The cover 6 closing the pressure vessel k is screwed into the housing 3 a of the setpoint regulating device 3 with a threaded nipple 7. The membrane 1 is clamped with its outer circumference id between the cover 6 and the pressure vessel k in a gas-tight manner.
In der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 sind ein Zylinder 3b sowie ein beim Einstellen des Sollwertes auf die Flüssigkeit 3c wirkender Kolben 3e angeordnet, welcher sich mittels der Einstellhandhabe 3h manuell verstellen läßt. Der Zylinder 3h ist einerseits über ein Kapillarrohr 8 mit einem Temperaturfühler 9 und andererseits über ein Kapillarrohr 8a mit einem Ventilstellantrieb iO verbunden. Im Zylinder 3b befindet sich ferner eine Bohrung 3£> durch welche die Flüssigkeit 3c bei auftretendem Überdruck gelangt, um die Außenseite der Membran 1 zu beaufschlagen.In the setpoint regulating device 3 are a cylinder 3b and a cylinder 3b when setting the setpoint to the liquid 3c acting piston 3e arranged, which by means of the setting handle can be adjusted manually for 3 hours. The cylinder 3h is on the one hand via a capillary tube 8 with a temperature sensor 9 and on the other hand via a capillary tube 8a connected to a valve actuator OK. In the cylinder 3b there is also a bore 3 £> through which the liquid 3c passes to the outside when excess pressure occurs to act on the membrane 1.
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ξ aw ξ aw
Dem Flüssigkeits-Thermostaten nach Fig. 2 mit der nachgiebigen Trennwand nach Fig. 2 liegt folgende Arbeitsweise zu Grunde:The liquid thermostat according to FIG. 2 with the flexible partition according to FIG. 2 operates as follows based on:
Die im Temperaturfühler 9 befindliche Flüssigkeit dehnt sich mit dessen Erwärmung aus. Sie gelangt durch das Kapillarrohr 8a in den Ventil-Stellantrieb 10. In diesem bewegt sie infolge der bei Erwärmung erzielten Ausdehnung die Ventilstange 10a und drosselt bzw. schließt gänzlich ein - nicht dargestelltes - Ventil. Kühlt der Temperaturfühler 9 und damit auch die in diesem befindliche Fühlerflüssigkeit ab, öffnet über die Ventilstange 10a das - nicht dargestellte Ventil wieder.The liquid in the temperature sensor 9 expands as it is heated. It passes through the capillary tube 8a in the valve actuator 10. In this it moves the valve rod as a result of the expansion achieved when heated 10a and throttles or completely closes a valve (not shown). Cools the temperature sensor 9 and so that the sensor fluid contained in this also decreases, opens the valve (not shown) again via the valve rod 10a.
Das Einstellen des Sollwertes auf die gewünschte Temperatur erfolgt durch einmaliges axiales Verstellen des Kolbens 3e mittels der Einstellhandhabe 3d. Wird diese verdreht, vergrößert sich, beispielsweise durch Verschieben des Kolbens 3e, das Volumen des Zylinders 3b, so daß vom Ventilstellantrieb 10 aus mehr Flüssigkeit in den Zylinder gelangen kann und somit das angeschlossene Ventil öffnet. Der der Flüssigkeit innewohnende Druck wirkt zugleich über die Bohrung 3f auf die Außenseite der Membrane 1, welche dabei infolge des Druckes des gasförmigen Mediums 5 in ihrer Ausgangsstellung verbleibt. Beim Drehen der Einstellhandhabe 3d in nunmehr umgekehrter Richtung wird der Sollwert dementsprechend auf eine niedrigere Temperatur eingestellt.The setpoint is set to the desired temperature by moving the piston 3e axially once by means of the adjustment handle 3d. If this is rotated, it increases, for example by moving the piston 3e, the volume of the cylinder 3b, so that more liquid can get into the cylinder from the valve actuator 10 and thus the connected valve opens. The pressure inherent in the liquid acts at the same time via the bore 3f on the Outside of the membrane 1, which remains in its initial position due to the pressure of the gaseous medium 5. When turning the setting handle 3d in the opposite direction, the setpoint is accordingly set to a set lower temperature.
Bei dem Flüssigkeits—Thermostaten nach Fig. 2 wirkt nun einerseits der Druck des gasförmigen Mediums 5t wie etwa Stickstoff, im Druckgefäß h und andererseits der Druck der Fühlerflüssigkeit des Temperaturfühlers 9. Wird nun trotz geschlossenem Ventil vom Temperaturfühler 9 ein weiteres Ansteigen der über den Sollwert eingestellten Temperatur registriert, so daß eine Übertemperatur am Temperaturfühler entsteht, wird dessen damit verbundene Volumenzunähme — ohne daß eine Verschiebung des Kolbens 3e der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 erfolgt - durch das Druckgefäß k aufgenommen,In the liquid thermostat according to FIG. 2, on the one hand the pressure of the gaseous medium 5t, such as nitrogen, acts in the pressure vessel h and, on the other hand, the pressure of the sensor liquid of the temperature sensor 9 set temperature is registered, so that an excess temperature arises at the temperature sensor, its associated increase in volume - without the piston 3e of the setpoint regulating device 3 being displaced - is taken up by the pressure vessel k ,
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indem eine der Volumenzunähme entsprechende Lageveränderung der Membran 1 erfolgt. Auf diese Weise wird ein unzulässiges Ansteigen des Innendruckes im Hydrauliksystem mit Sicherheit verhindert. Beim Nachlassen der durch den Temperaturfühler 9 registrierten Übertemperatur geht die Membran 1 - wiederum ohne jegliche Lageveränderung des Kolbens 3e - in ihre Ausgangslage zurück, wobei die Füllflüssigkeit wieder in das wirksame Hydrauliksystem zurückgespeist wird.by a change in position corresponding to the increase in volume the membrane 1 takes place. In this way, an inadmissible increase in the internal pressure in the hydraulic system is guaranteed prevented. When the excess temperature registered by the temperature sensor 9 subsides, the membrane 1 - again goes without any change in the position of the piston 3e - back to its original position, with the filling liquid again in the effective hydraulic system is fed back.
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Claims (3)
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