CN101223357B - 将动能传输至流体和从流体传输出来 - Google Patents

Abstract

用于将运动流体流的动能转化成有用功的方法和装置，这是通过使用定位在该流体流中的气翼或水翼的平行阵列来实现的。翼可以定位成具有至少两个自由度，并且相邻的翼反相运动。翼经受共振，这通称为颤动，是由流体流所诱导的。构型的流入和流出导管可以定位在上游和下游，该装置可以包封在构型的导管中，以通过改变流体速度和压力来提高效率。翼是悬臂的，由垂直棒支承，但也可以不附连。由独立的翼模块构成的叶栅各包括翼、动力转化模块和运动控制模块，可以对该叶栅编程以(1)从流体流中接受能量以产生动力，或者(2)将能量传输至流体流以形成推进或泵送。

Description

将动能传输至流体和从流体传输出来

本申请要求2005年6月1日提交的美国临时专利申请60/685,891的优先权。

技术领域

本申请包括对于在Lee Arnold博士的美国专利4,184,805(1980年1月)、美国专利4,347,036(1982年8月)和美国专利6,273,680(2001年8月)中披露的方法和装置的改进。

本发明涉及使用包含在运动流体流中的动能来产生有用功率的技术和装置，更具体地说，涉及仅仅由悬臂式吊杆来保持在运动流体中的翼叶栅。反相运动的翼叶栅可以设置成利用需要两个或多个自由度的颤动现象从流体中提取能量以产生动力，或者利用同样具有两个或多个自由度的外部已编程的振动来驱动翼，使其将能量从外部电源注入流体中以形成推进或泵送。

背景技术

可再生资源在几个世纪以前是人类社会的主要能源，包括太阳能、风能和水能、波能和潮汐能。所有的可再生资源都源自太阳能，但是潮汐能除外，潮汐能源自月球和地球的万有引力(源自储藏在地心中的热量的地热能从严格意义上来说不是可再生资源)。主动和被动的太阳能、风能、水能、波能和海流能都源自地球气候循环，而地球气候循环根本上又都是由太阳辐射所引起的。对于将可再生能源转化成有用功的有效手段的研究包括机械式风力涡轮机和机械式水力涡轮机，机械式风力涡轮机利用升力或曳力将风的动能转化成机械能，而机械式水力涡轮机将流水的动能或抬高储存的水的势能转化成机械能。在大多数情况下，因此转化而来的能量可转换成电能以供最终分配和使用。

美国专利1,486,040(Schieferstein)披露了一种使用机械驱动的振动叶片的推进装置，但其只有一个自由度。

美国专利2,783,022(Salzer)描述了一种海浪能转化装置，该海浪能转化装置包括在来回运动中使水平轴旋转的一系列浮体。此装置没有采用振动的翼。

美国专利3,040,976(de Mattos)披露了一种使用机械驱动的振动叶片的并联组的空气推进装置，其还是只有一个自由度。

美国专利3,508,840(Lederlin)披露了带有弯曲形状的气翼或系列拍动气翼，以使自产生的漩涡再循环。这种气翼并不颤动地或反相地工作。

美国专利3,783,858(Ashikian)披露了一种使用气柱中的共振来加热液体的装置。该发明没有使用反相颤动的翼来将流体转化成机械能。

美国专利3,883,750(Uzell)描述了一种附文氏管的水平轴线旋转的推进器型风力涡轮机。

美国专利3,995,972(Nassar)描述了一种振动型风能转化机，其中，使用倾斜变化的装置来使一个或多个气翼往复运动，该倾斜变化的装置使气翼倾斜角在每次偏移结束时反向。该装置并没有采用两个或多个自由度的颤动，所述的气翼组也没有反相工作。

美国专利4,024,409(Payne)描述了一种振动流体能量转化装置，该装置利用经受入射风的金属丝、长圆柱体或气翼的共振反应，从而通过一个表面产生漩涡，导致将力施加在该表面上，该表面离开其静止位置，从而在相反的表面上产生新的漩涡。这个新的漩涡导致将相反的力施加在本体上，导致可从中提取能量的共振而作为阻尼力。在该发明中，使用其气翼实施例，该气翼对涡流作出反应以在一个自由度内振动，而不是颤动。

美国专利4,170,738(Smith)描述了一种拖曳工作装置(panemone)，以从海水运动中提取能量，通过往复运动的齿轮齿条装置将该运动转换至双向发电机。该装置并没有采用翼、颤动或反相运动。

美国专利4,184,805(Arnold)是描述了在空气或水中的翼叶栅颤动中的反相运动的第一个基础专利。本发明构成了对于Arnold的专利的实质改进，在Arnold的专利中，已经用联接至模块动力传输和运动控制系统的单个悬臂式吊杆替换了附连至各翼的所有机构和连杆。

美国专利4,347,036(Arnold)是同一原始申请的分案申请，且描述了与美国专利4,184,805相同的装置。

美国专利5,457,346(Blumberg)描述了一种与以上的美国专利3,883,750类似的水平轴线推进器型风力涡轮机，其中，文氏管将入射风集中到涡轮机转子上。这种装置没有使用翼、颤动现象、或反相运动的翼叶栅。

美国专利6,273,680(Arnold)继续开发了如专利4,184,805首先披露的振动叶栅动力系统的原始机械实施例，其某些附加材料涉及惯性质量调整和带有扁平屏障的入流集中。

在气动弹性学上，有相当多的文献一般将颤动认作为高度破坏力，该高度破坏力会在气翼中发生，从而不可避免地导致其碎裂。上面引用的Arnold的专利示出了在原理上如何可用颤动来从流动的流体中提取有用能。本发明基于Arnold的专利并在其上作出改进，本发明通过免除在那些在先专利中描述的振动机械部件、连杆、轴承、杆、轴和齿轮的繁多性，来使颤动的反相叶栅能量转化器能商业应用。

尽管颤动的分析处理可应用到所有的流体，但是空气中的颤动是公知的，而水中的颤动还未被广泛研究或观察。Arnold博士的专利首先描述了在水中启动和维持颤动的装置。

发明内容

本发明包括振动叶栅动力系统(OCPS)的耐用和有效实施例的设计特征，并且包括多个悬臂式翼，这些翼是由从诸如风的运动流体中或从在小溪、河流、洋流、潮汐或定向流中运动的水中提取的动能来振动并致使颤动的。动力产生系统包括新颖的模块化动力和控制模块，该模块由多个翼的颤动来驱动。

悬臂式翼的使用免除了对于在美国专利4,184,805、4,347,036和6,273,680中描述的附连至现有技术的翼的相当大数量的实体机构的需要。通过使用工作流体或电流的可编程控制伺服系统可以控制翼。控制程序可包括基于作用在反相颤动模式中翼运动方程的算法。

此外，本发明的装置使用悬臂式翼的平行叶栅来有效地从运动的流体流中产生大量可用动能，而无需使用大量附连机构。我们这里使用的一般术语“翼”包括如同在流动的水中使用的“水翼”的概念、如同在风能转化中使用的“气翼”的概念、或在推进中使用的“浆”的概念。术语“气翼”更具体地说涉及用来产生飞行器升力的固定的或旋转的机翼，但并未应用在本发明的内容中。

本发明的一方面是在运动的流体流中的、反相作用的翼叶栅中提供独立的模块翼动力和控制装置，从而即使在叶栅工作时，各翼也可插入叶栅或从叶栅中拆卸下来，而不会触及或影响相邻的翼。

为了在诸翼中发生颤动、即带有两个或多个自由度的共振，翼的有效惯性质量和冲程结束时的回复力的存在是很关键的。本方面的一方面提供了一种在系统工作的瞬时调整和控制惯性质量和回复力的新颖装置，从而允许系统的性能在流量和负载条件改变的过程中是连续的和自动的。

在静止位置，翼处于零攻角。即使翼浸入运动的流体流中，也没有振动发生。在现有技术中，必须实际地“扰动”以启动机构和初始化颤动。本发明的一方面是一种远程启动振动而无需手动干预的装置。此外，在现有技术中，除了通过中断流体流或者通过克服施加极限负载安装机构的振动意外，未提供任何装置来使颤动的翼止动。本发明的另一方面是一种用于使振动翼中的一个或所有翼瞬时止动的装置，这是通过致使它们采用零攻角因此在流体流仍然流动时切断动力输出来实现的，而对于翼或相关机构没有不适当的应力或损坏。

本发明的另一方面是提供一种双用途的支承结构，多个独立的翼模块固定至该支承结构，该支承结构还承载动力和控制歧管，用来将翼模块连接至中央控制器。歧管装备有一系列多通道闸阀以及容座，这样，在各个翼模块上的多通道连接器就可容易地连接或拆卸。

本发明的又一方面是包括流体速度和负载的所有内部和外部系统参数的完全电子监测，通过在由特殊控制算法来控制的可编程逻辑控制装置中处理这些数据，所得的对于惯性质量和回复力的连续调整不仅一直在优化系统性能，而且还通过降低颤动初始化时的临界流体速度和提高系统可安全工作时的最大或切断速度来延伸系统的工作范围。在现有技术中，这种改进不能实施，因为振动叶栅及其控制系统在本质上是完全机械的，并且必须首先切断而再实施对于惯性质量或回复力的任何调整。

本发明有关翼叶栅的推进或泵送模式的一方面是，借助独立的和可外部控制的翼模块来给两个自由度的各翼施加多种不同编程的顺序或同时运动，从而优化推进或泵送作用。例如，可以对叶栅编程以沿着叶栅重复进行的游动，这在现有技术中是不可能的。

本发明有关推进的另一方面是，可以对单个翼编程以在推进或泵送模式中单独作用，并且假如翼是叶栅的一部件，则叶栅的其它部件可以停靠在横向位置以阻止其它流体流，从而有助于河流或洪水控制。

本发明的重要特征以及它与现有技术(尤其包括Lee Arnold博士的三个专利)的显著区别已经被大致概括出来了，从而可以更好地理解其详细描述，并且从而可以更好地理解对于该技术领域的贡献。下文中将描述本发明的附加特征，这将形成所附权利要求书的主题。熟悉本技术领域的人员会理解，本发明可用作设计其它实施本发明的若干目的的其它装置的基础。因此重要的是，本发明的权利要求书将被认为包含并不脱离本发明的总体范围的这些等同结构和方法。

附图说明

图1是分离的翼模块的叶栅的立体图，该叶栅可以以任何角度定向且安装在刚性支承结构4上。每个翼模块由翼1、吊杆2、动力转化模块3A和控制模块3B构成。

图2是控制模块的局部平面图，示出了翼吊杆2用花键连接入在旋转腔6内运动的旋转叶轮5，包含在平移活塞7B内的所有东西都在缸体17内运动。外部孔14、15、21和22将工作流体引导至控制模块和从控制模块引导出工作流体。

图3是动力模块的局部平面图，示出了翼吊杆2穿过在缸体17内运动的平移活塞7A。外部孔21和22将工作流体引导至动力模块和从动力模块引导出工作流体。

图4是动力/控制模块的叶栅与叶栅宽度动力和控制歧管的流体连接的示意图。

图5是用于叶栅的中心流体动力和控制系统的元件的示意图，示出了歧管与平移和旋转控制贮存器28和29以及与动力贮存器43的连接。

图6是动力输出装置的示意图，由此来自动力贮存器43的工作流体可在压力下储存在蓄积器32中，并且驱动流体电动机33，该流体电动机33驱动传统的发电机34以将同步的电能供给至共用电网。

图7是翼模块的立体图，示出了用于减少漩涡产生的翼设计的细节。

图7A是翼的一部分的侧视图。

图7B和7C是翼的后缘的片断部分，示出了沿着后缘的柔性靴部的比较。

图8是振动叶栅组件的立体图，其中具有流入和流出导管，这些导管设计成修改流体速度和压力以增大总的动力传输效率。

图9是图8的流出导管的示意垂直剖面，示出了多个流动引导器。

具体实施方式

图1示出了四个各由且仅由圆形横截面的吊杆2来吊挂的垂直翼1。杆2从独立系列但同组的固定动力/控制模块组件3的底部突出。任何偶数的动力/控制模块3可安装在刚性系统支承结构4上。每个翼1的重量由其动力/控制模块3来承受。动力/控制模块组3中的每一个由动力模块3A和控制模块3B构成。吊杆2由于通过由动力模块3A和/或控制模块3B所承载的两个垂直共轴的轴承而严格地保持垂模块3B的活塞7B的平移运动，在所有情况下双向自由活塞7A和7B都平移地运动，由其相应的两个活塞支承棒18A和18B引导成侧向运动，该活塞支承棒18A和18B由直线轴承19A和19B来承载，但是翼吊杆2并不穿过中心的旋转叶轮和缸体，而是只穿过设置在活塞7A中心的密封的单排或双排滚珠轴承23。因此，翼吊杆2可自由地在动力模块3A内绕垂直轴线旋转，但是吊挂的翼1及其吊杆2的任何平移都导致活塞7A相应的侧向运动。这种侧向活塞运动导致流过外部孔21和22的工作流体的相应喷射或注射。任何数量的独立水翼模块可以连接至六个共同的流体动力传输歧管24、25、26、27、39和40，在叶栅的长度上移动，且终止于控制器，如图5所示。

图4是连接到六个叶栅的动力和控制歧管的任何偶数数量的动力/控制模块3的叶栅的流体连接件的示意图。相继和相邻的翼模块中只有三个示于图4中，从而足以示出任何数量的翼的相应互连件。因为在每个翼模块上的外部孔一直完全固定，所以歧管和互连件都可由传统的固定压力管、接头和连接器来构成。每个控制模块14和15的旋转部件的外部孔连接入“+”旋转控制歧管24且连接至“-”旋转控制歧管25，从而控制模块的互连对的指向在相继相邻的翼模块之间交替。也就是说，对于叶栅中所有翼，翼A和C的孔14以及模块B的孔15等连接到歧管24。相应地，模块A和C的孔15以及模块B的孔14连接到歧管25。这两个旋转的控制歧管24和25在图5所示的控制器中所示加压液压贮存器处以其末端有效地连接在一起。因此，相邻翼控制模块的旋转部件的交替互连致使相邻翼1的所有旋转精确地反相锁定在一起，就如同由机械连杆所精确实现的那样。

因此，所有翼的孔21和22交替地连接到Z轴线平移控制歧管26和27，从而设计成，因为翼1的侧向运动沿着Z轴线发生，故流入叶栅的流体(空气或水)被限定成沿X方向运动。通过以上的旋转情况所述，相邻翼的所有侧向运动因此一起锁定成精确的反相。最后，以上旋转和平移运动控制系统的组合作用是：如同Arnold博士的颤动分析所要求的那样，迫使叶栅的所有翼1的任何运动一直精确反相地发生，同时翼1的整个组件自由地旋转和侧向运动、锁定成反相、但不受其它约束。假如适当控制的话，水翼的以上旋转和侧向运动的任何组合的结果都可以因此重复在Arnold的颤动分析中所要求的任何运动或位置，就如同在Arnold的专利中所述的那样翼1受到前缘和后缘的顶部和底部机械连杆、互连杆和轴的约束。差别之处在于，每个翼1现在实质上独立于所有其它的翼，而在相邻翼的端部之间无需机械附连或连接。

图5是一种用于叶栅的中心流体动力和控制系统的元件的示意图。

反相锁定：系统控制器在这里显示成两个包含双动作活塞的加压液压贮存器28和29，双动作活塞的中心位置对应于翼1的静止位置(翼均匀地间隔且平行于流动方向)。相同的控制功能还可以通过将各歧管成比例地连接至流体压力贮存器或流体返回贮存器的一组双比例阀的直接微处理器可编程逻辑控制器来获得。在每个活塞杆上的直线位置/速度传感器30可给控制器提供平移的和旋转的翼位置和运动反馈信号。更加广泛的位置和运动反馈系统包括位于每个翼模块中的传感器，从而专门给任何翼提供详细的误差信息。

回复力：为了在流体流中维持颤动，必须在接近和处于翼位移的极限位置时提供回复力，该精确的力在整个工作循环中变化。回复力模块41使用内部弹簧、可控制的压缩空气量或弹簧力的电模拟中的一个或组合来提供必需的循环结束回复力。此外，局部的回复力由弹簧18C加上活塞支承棒18A和18B形成的空气压缩来提供。

惯性质量：除了处理以上的周期性回复力之外，为了维持颤动，还必须给翼自身的振动质量提供精确量的附加惯性质量。惯性质量模块42(图5)通过工作的流体连接件在翼1上施加可控制的附加质量，从而通过联接至物理质量的工作流体(液压杆)的比例控制或通过等同力的电模拟来控制所附加的惯性质量的量。

启动：连接至高压液压蓄积器32(图5)和液压返回歧管的多用途电致动的可变流量控制阀31允许从外部(从流体动力储存贮存器)将预先编程的初始旋转和平移运动脉冲施加至翼1，以在流动的空气或水中启动振动。

颤动的控制和优化：将不同的回复力和辅助惯性质量施加至翼1的前缘和后缘对于颤动的初始化和保持都是关键性的。翼旋转和侧向位置反馈、频率、瞬时的流入水或空气速度和外部负载以及其它信息给可编程的逻辑控制器提供输入，该控制器以预先编程的工作算法作为依据，控制对于翼1的必需回复力和惯性质量的瞬时附加。

必须注意的是，颤动一旦启动，该颤动就是输入动力(水或空气流)、输出负载(阻尼)以及不同的回复力和质量的合适条件所提供的自保持共振现象，将都被保持。这种控制调整是由控制系统所连续地和瞬时地作出的，以补偿以上工作条件所发生的变化。

停机：通过外部编程强迫返回至翼静止位置，整个叶栅的翼或单个翼可以由于紧急或维护的原因而立即停机。通过将多通道阀引入歧管至翼的互连件，可以脱开或更换单独的翼模块而不用停止整个叶栅。

工作流体压力保持：辅助的工作流体循环压力保持装置包含在控制系统中，但未显示或详述，因为这是标准的液压设计技术。

图6是表示公用互连的电能输出装置的示意图，其描述了将电能从叶栅输送至外部负载的许多可选择装置中的一个。

来自动力贮存器43的工作流体在压力下储存在蓄积器32中，然后驱动流体电动机33，该流体电动机33驱动传统的同步发电机34以将频率和相位同步的电能供给至公用电网。在图中，在受控制的颤动过程中，工作流体周期性地在压力下被动力模块3A移位，并被输送通过动力歧管39和40，该工作流体是由单通阀注射入贮存器43中的。再由从蓄积器32中通过受控比例流供给阀37来提取的液压来驱动旋转的液压电动机33。

液压电动机33直接驱动传统的三相无刷同步发电机34，该同步发电机34通过合适的固态开关装置38和合适的电保护干线与共用电网互连。动力输出开关设备的关闭是由同步示波器35来控制的，从而当发电机34和电网通过零电压点时将完全同步的发电机34连接至电网。流动供给阀是由发电机频率和输出电流来控制的，一旦发生同步，就形成由水或空气流条件、发电机容量和温度所确定的最大动力输出。

图7是单个翼模块的立体图，示出了翼设计的细节以减少漩涡产生：(a)在图7和7A中示出了将翼的前缘端部61弄圆，(b)在翼的后缘端部65处添加嵌条，(c)沿着前缘和后缘包含可变形的柔性靴部67，这些柔性靴部67示于图7B和7C中，通过瞬时倾斜角(通过中央控制器)来控制变形程度。柔性靴部67的纵向变形是由翼吊杆2输送的流体压力来致动的。将两个合适形状空隙中的一个引入靴部67内，流体压力致使靴部的尾部从中心静止位置相对于左或右流动轴线纵向扭转。因此，在较大的倾斜角处，翼1的边缘不再呈现(现有技术的)尖锐边缘，这种尖锐边缘会产生相当大的下游漩涡流。只有后缘靴部67示于图7B和7C中，但可变形的靴部可以同样方式施加至翼1的前缘。

薄、扁平和光滑的嵌条63在翼1的各端上有一个，嵌条63以及所示的流线型角部也用来减少漩涡产生，由此减小实际拖曳并提高效率。嵌条63的形状的精确设计是由翼的几何形状所特有的空气动力学分析所控制的。

图8是完整的振动叶栅组件的立体图，其总体由附图标记68来表示，设有流入导管70和流出导管72，这些导管设计成修正流体速度和压力以提高总的动力传输效率。根据叶栅在流入和流出导管之间的连接处74的特征和几何形状所特有的空气动力学分析，导管的平面和立面图的轮廓可以有所不同。横流引导器76示于图9中，插入外流导管72或与外流导管72形成在一起，从而作为在连接处74降低净背压的装置。

本发明的关键方面是，流入和流出通道或导管的设计和功能形成振动叶栅和翼1的设计的一体部分，用于本发明的任何特定情况或应用场合。与界围的流体流的两相反侧等距的翼用作无限叶栅。尽管以上所述和图1所示的翼叶栅如图8所示定位在完全界围的外壳内，但是采用处于经受Betz极限的未界围环境中的这种叶栅或翼也在本发明的范围内。

这里所示的使用流体动力传输装置(液压的)来实施的核心概念也可以由气动或电气装置来实施，或者由流体和电气装置的组合来实施。

这些改进的主要目的是，免除实际地附连至翼端部以将相邻的翼附连在一起的所有机构。

因此已经具体参照较佳形式描述了本发明及其改进，在理解了本发明之后，对于熟悉本发明所属技术领域的人员来说显而易见的是，可以在不脱离由所附权利要求书限定的本发明范围的前提下在其中作出各种变化和修改。

Claims (14)

1.一种将流体流的动能转化成有用功的方法，所述方法包括以下步骤：在所述流体流内定位翼的平行阵列；将所述翼安装成具有至少两个自由度；以及致使所述流体流移动通过所述翼的阵列，以用于致使所述翼经受颤动式振动，改进之处包括：通过悬臂模式的单独吊杆来安装各个翼；以及保持所有的所述吊杆彼此平行。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括保持所述翼的垂直度和平行度的步骤，这是通过安装用于提供旋转和平移运动的装置同时藉由每个翼的两点吊挂严格地保持所述翼垂直和平行来实现的。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述翼通过所述吊杆连接至液压致动器，所述翼在平移和倾斜中的瞬时定位是通过该液压致动器由外部控制器来控制的，用于确保相邻翼的精确反相运动，并且将源自颤动式振动的所述翼的能量输出传输至蓄积器。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，包括传输所述翼的运动的步骤，用于驱动液压致动器，该液压致动器用于将能量从所述翼传输至所述蓄积器。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，包括提供流体控制的步骤，用于将所述能量从所述液压致动器传输至所述蓄积器。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括将所述能量转化成电能的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过提供循环的回复力和惯性质量以用于初始化和保持所述翼的颤动，从而控制所述翼的阵列。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：在所述流体流通过所述翼的阵列之前增大所述流体流的流动速度；以及在所述流体流通过所述翼的阵列之后减小所述翼上的背压。

9.用于将流体流的动能转化成有用功的装置，所述装置包括：可定位在流体流内的翼的阵列；安装所述翼以适于至少两个自由度的装置；用于致使所述流体流通过所述翼的阵列由此使所述翼经受颤动式振动的装置；多个吊杆，每个所述翼安装在呈悬臂形式的单独吊杆上；以及用于使所有的所述吊杆保持彼此平行的装置。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，包括柔性靴部，所述靴部附连至所述翼并沿其后缘延伸，所述靴部可由所述流体流产生的压力来变形。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，每个所述翼是自固定且独立于相邻翼的，用于减少拖曳和漩涡的产生。

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括用于支承各个翼以形成一体的、容易拆卸和脱开的模块的安装装置，并且每个模块在不停止相邻翼的工作的前提下就能拆卸和更换。

13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括一体的多轴线流体致动器和泵模块，该模块包括定位在双向直线致动器和泵内的双向倾斜控制的旋转致动器，从而，通过所述吊杆中的相应一个连接至所述致动器和泵模块的所述翼的运动提供沿着侧向和旋转轴线的独立和同步运动。

14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述翼包括：在前缘处弄圆的端部，用于使拖曳最小；形成在所述翼的端部处的嵌条装置；以及沿着至少一个后缘的可变形的柔性靴部装置，用于在极限翼倾斜角处改变其曲率。

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