DE1428209A1

DE1428209A1 - Druckaustauscher

Info

Publication number: DE1428209A1
Application number: DE19631428209
Authority: DE
Inventors: Spalding Dudley Brian
Original assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Current assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Priority date: 1962-05-17
Filing date: 1963-05-14
Publication date: 1969-07-31
Also published as: GB996266A; US3232520A

Description

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U28209

Augsburg, den 10. Mai 1963

Power Jets (Eesearch & Development) Limited, 25, Green Street, London W.1., England

Druckaustauscher

(Zusatz zu Patent (Patentanmeldung amtliches

Aktenzeichen P 29 269 Ic/2?c))

Druckaustauscher weisen Zellen, in welchen jeweils eine Menge eines elastischen Strömungsmittels expandiert und dabei eine Menge eines anderen, mit ihm in unmittelbarer Berührung stehenden elastischen Strömungsmittels komprimiert, ferner ein Kanal sys tem zur im wesentlichen stetigen Zuführung und Abführung der unter verschiedenen Drücken stehenden Strömungsmittel in die Zellen hinein bzw. aus diesen heraus und Einrichtungen zur Herbeiführung einer Relativbewegung zwischen den Zellen und diesem Kanalsystem auf. Die Zellen sind gewöhnlich am Umfang eines ringförmigen fiotors angeordnet, der als

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"Zellenrad" bezeichnet wird.

Bei bekannten Druckaustauaclierkonstruktionen haben die

Zellenradzeilen ein unveränderliches Volumen. Aus diesem Grunde konnten bisher in derartigen Druckaustauschern nur geringe Druckgefälle verarbeitet werden, es sei denn, daß auf sehr komplizierte Druckaustauscher-Arbeitsprozesse oder konstruktive Kombinationen mehrerer Druckaustauscher zurückgegriffen wurde.

Im Hauptpatent (Patentanmeldung amtliches

Aktenzeichen P 29 269 Ic/27c) ist ein Druckaustauscher unter Schutz gestellt, dessen mit stirnseitig offenen Zellen versehenes Zellenrad mit diese Zellen zeitweilig stirnseitig abschließenden Endplatten zusammenwirkt, die ihrerseits Durchtrittsöffnungen zum Einlaß bzw. zum Auslaß von Strömungsmitteln in die Zellenradzeilen hinein bzw. aus diesen heraus aufweisen, welch letztere wiederum ein veränderliches Volumen haben, das mittels entsprechender Einrichtungen bei Helativdrehung zwischen dem Zellenrad und der Endplattenkonstruktion verändert wird.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung und weitere Ausbildung der im Hauptpatent (Patentanmeldung amtliches Aktenzeichen P 29 269 Ic/27c) unter Schutz gestellten Druckaustauscherkonstruktion dar.

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Demgemäß geht die Erfindung von einem Druckaustauscher, dessen mit stirnseitig offenen Zellen versehenes Zellenrad mit diese Zellen zeitweilig stirnseitig abschließenden Endplatten zusammenwirkt, die ihrerseits Durchtrittsöffnungen zum Einlaß bzw. zum Auslaß von Strömungsmitteln in die Zellenradzellen hinein bzw. aus diesen heraus aufweisen, welch letztere wiederum ein veränderliches Volumen haben, das mittels entsprechender Einrichtungen bei Relativdrehung zwischen dem Zellenrad und der Endplattenkonstruktion verändert wird, nach Hauptpatent (Patentanmeldung amtliches Aktenzeichen P 29 269 Ic/27c) aus und ist durch einen Kanal zur Zuführung eines elastischen, unter hohem Druck stehenden Strömungsmittels zu den Zellenradzellen, ferner durch ein Kanalsystem zur Zu- und Abführung eines elastischen, unter niedrigem Druck stehenden Strömungsmittels in die Zellenradzellen hinein bzw. aus diesen heraus, und schließlich durch ein Kanalsystem zur Zu- und Abführung eines elastischen, unter einem, zwischen dem vorgenannten hohen Druck und dem vorgenannten niedrigen Druck gelegenen mittleren Druck stehenden Strömungsmittels in die Zellenradzellen hinein bzw. aus diesen heraus gekennzeichnet.

Die Änderungen des Volumens der Zellenradzellen können mittels eines Zellenrades mit radial verschiebbaren Zellen-

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wandungen erzielt werden.

Das von den Zellenradzeilen des Druckaustauschers abgezogene, unter niedrigem Druck stehende Strömungsmittel kann als Kühlmittel verwendet werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegende Schemazeichnung im einzelnen beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:

Figur 1 eine Abwicklung eines Druckaustauschers

nach der Erfindung, bei welchem die Volumenänderung der Zellenradzellen in vereinfachter Darstellung als Änderungen der axialen Länge der Zellenradzellen dar-. gestellt sind,

Figur 2 ein Diagrammschema, welches die Jeweiligen,

an den verschiedenen Stellen des Druckaustauschers nach der Erfindung herrschenden Drücke der den Druckaustauscher durchströmenden elastischen Strömungsmittel zeigt,

Figur 3 eine Abwicklung einer weiteren Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der

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Erfindung und

Figur 4 einen Querschnitt durch das Zellenrad

eines Druckaustauscher nach der Erfindung mit radial verschiebbaren Zellenwandungen.

Bei dem in Jfigur 1 der Zeichnung dargestellten Druckaustauscher nach der Erfindung haben die Zellen 1 des Druckaustauscher-Zellenrades ein veränderliches Volumen und werden stirnseitig zeitweilig von Endplatten 2, 3 abgedeckt. Die Endplatte 2 ist mit Durchtrittsöffnungen 4, 5 und 6 versehen, durch welche den Zellen des Zellenrades elastische Strömungsmittel zugeführt werden. In gleicher Weise ist die Endplatte 3 mit Durchtrittsöffnungen 7 und 8 versehen, über welche aus den Zellen des Zellenrades elastische Strömungsmittel abgezogen werden. Die Durchtrittsöffnung 4 ist als Hochdruckeinlaßöffnung ausgebildet, über welche den Zellenradzellen ein unter hohem Druck stehendes elastisches Strömungsmittel zugeführt wird. Über die Einlaßöffnung 5 wird den Zellenradzellen ein unter niedrigem Druck stehendes elastisches Strömungsmittel zugeführt und über die Einlaßöffnung 6 wird den Zellenradzellen ein elastisches Strömungsmittel zugeführt, dessen Druck zwischen den vorerwähnten hohen und niedrigen Drücken der erwähnten Strömungsmittel liegt. Durch die als Niederdruck-

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auslaßöffnung ausgebildete Durchtrittsöffnung 7 wird ein Druckmittel niedrigen Druckes aus den Zellenradzellen abgezogen und durch die Auslaßöffnungen 8 wird ein Druckmittel aus den Zellenradzellen abgezogen, dessen Druck zwischen dem vorerwähnten hohen Druck des einen Strömungsmittels und dem vorerwähnten niedrigen Druck des anderen Strömungsmittels liegt. Die mit den vorerwähnten Durchtritts öffnungen verbundenen Kanäle sind mit den Bezugsziffern 9» 10, 11, 12 und 13 bezeichnet. Die Niederdruckeinlaßöffnung 5, die Niederdruckauslaßöffnung 7 und die jeweils kurzfristig mit diesen Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehenden Zellenradzellen bilden zusammen eine Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers, während die Mitteldruckeinlaßöffnung 6, die Mitteldruckauslaßöffnung 8 und die jeweils zeitweilig mit diesen Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehenden Zellenradzellen eine Mitteldruckspülstufe des Druckaustauscher bilden. Ein Ende eines Anzapfungskanals 14 hat Verbindung mit dem Kanal 9, während sein anderes Ende über eine Durchtrittsöffnung 15 mit den Zellenradzellen des Druckaustauschers Verbindung hat, die mit Bezug auf die Hochdruckeinlaßöffnung 4 in Drehrichtung des Zellenrades in der Nähe dieser Durchtrittsöffnung angeordnet ist. Im Kanal 14 ist ein federbelastetes Rückschlagventil 16 angeordnet.

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Der Mitteldruckauslaßkanal 13 hat mit der Einlaßseite eines Kühlers 1? Verbindung, dessen Auslaßseite mit dem Kanal 11 verbunden ist, über welchen den Zellenradzellen des Druckaustauscher durch die Mitteldruckeinlaßöffnung 6 hindurch Strömungsmittel zugeführt wird.

Das in Figur 2 der Zeichnung angegebene Kurvenschema zeigt die Jeweiligen relativen Drücke der die Zellen des in !figur 1 der Zeichnung dargestellten Druckaustauscher durchströmenden Strömungsmittel an den verschiedenen Stellen des Arbeitsspiels des Druckaustauscher.

Im Betrieb des Druckaustauschers laufen die Zellen 1 des Zellenrades fortgesetzt in Richtung des Pfeiles A an den Durchtrittsöffnungen und den dazwischen gelegenen Wandungsabschnitten der Endplatten des Druckaustauschers vorbei. Bei Betrachtung der Betriebsweise des Druckaustauschers kann infolgedessen an jeder beliebigen Stelle begonnen werden.

Es sei angenommen, daß das Arbeitsspiel des Druckaustauschers an einer Stelle Ϊ beginne und daß das in der die Stelle X im Augenblick passierenden Zelle befindliche Strömungsmittel innerhalb derselben mit Bezug auf die Zellenwandungen und die beiden Zellenstirnseiten stillstehe. Das

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Strömungemittel sei in eintr später noch «u beschreibenden Weise in die Zelle gelangt und die beiden offenen Stirnseiten der Zelle seien an dieser Stelle durch die Endplatten 2 und 3 abgeschlossen. Im Verlaufe des Umlaufes des Zellenrades wird die in der Zeichnung rechte Stirnseite der Zelle beim Vorbeilauf derselben an der Hochdruckeinlaßöfinung 4 geöffnet, in welcher der Kanal 9 mündet. Das in dem Kanal 9 strömende Strö mungsmittel, welches unter Druck steh-fc und beispielsweise die Temperatur der umgebenden Atmosphäre haben kann, hat gegenüber dem Druck des in der Zelle befindlichen Strömungsmittels Überdruck und infolgedessen wird an der Öffnungekante der Hochdruckeinlaßöffnung 4 eine Druckwelle ausgelost, die in der Zeichnung schematisch bei 27 angedeutet ist und durch die Zelle hindürchwandert, so daß das in der Zelle befindliche »strömungsmittel verdichtet wird. Im weiteren Verlauf des Zellenradumlaufes werden die beiden Zellenstirnseiten wiederum durch die beiden Endplatten 2 und 3 verschlossen und der Zelleninhalt expandiert wegen des nunmehr zunehmenden Zellenvolumens fortschreitend, wobei sich seine Temperatur in gleichem Maße erniedrigt. Sodann wird die linke Zellenstirnseite durch den Vorbeilauf der Zelle an der Auslaßöffnung 8 der Mitteldruckspülstufe geöffnet, welche mit dem Auslaßkanal 13 Verbindung hat, über welchen das nunmehr unter einem mittleren Druck stehende und eine mittlere Temperatur innehabende Strömungs-

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mittel aus den Zellen des Zellenrades abgezogen wird. Der Beharrungsdruck des in dem Kanal 13 strömenden Strömungsmittels ist niedriger als der zuvor von dem Strömungsmittel innerhalb der Zelle eingenommene Beharrungsdruck. Infolgedessen werden Expansionswellen kleiner Amplitude, die in !Figur 1 der Zeichnung bei 23 schema ti sch angedeutet sind, an der Öffnungskante der Durchtrittsöffnung 8 ausgelöst, die, während das in der Zelle befindliche Strömungsmittel die Zelle über die Auslaßöffnung 8 verläßt, durch die Zelle hindurchwandern und an der rechten Stirnseite der Zelle einen Bereich niedrigeren Druckes schaffen. Das durch den Kanal 13 strömende Strömungsmittel tritt nunmehr in den Kühler 17 ein, in welchem ihm »tiärme entzogen wird, so daß die Temperatur des Strömungsmittels weiter abnimmt. Das aus dem Kühler 17 austretende Strömungsmittel wird nunmehr über den Kanal 11 in die Mitteldruckeinlaßöffnung 6 eingeführt und gelangt über diese wieder in die Zellenradzellen des Druckaustauscher. Da der an dieser Stelle in den Zellen des Zellenrades herrschende Druck niedriger als der Gesamtdruck des in den Einlaßkanal 11 strömenden Strömungsmittels ist, strömt nunmehr durch die Einlaßöffnung 6 Strömungsmittel von niedrigerer Temperatur und mittlerem Druck in die Zellen des Zellenrades ein, während gleichzeitig das in den Zellen befindliche Strömungsmittel über die Auslaßöffnung 8 aus den Zellen austritt. Sobald die linke Zellenstirnseite wieder durch die Endplatte 3 verschlossen wird,

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werden Druckwellen ausgelöst, die in Figur 1 der Zeichnung bei 24 schematisch angedeutet sind und durch die Zelle hindurchwandern.

Im weiteren Verlauf des Zellenradumlaufes wird die hier betrachtete Zelle wiederum beidseitig durch die Endplatten 2 und 3 verschlossen. Der Zelleninhalt expandiert infolge des nunmehr wieder zunehmenden Zellenvolumens fortschreitend und kühlt sich dadurch so lange weiter ab, bis die linke Zellenatirnaeite durch den Vorbeilauf der Zelle an der Niederdruckauslaßöffnung 7 wieder geöffnet wird. Da der Druck des in der Zelle befindlichem Strömungsmittels höher als der an dieser AuslaBöffnung herrschend© Gesamtdruck ist, verläßt nunmehr das eine niedrige Temperatur innehabende: Strömungsmittel die Zelle in den Niederdruckauslaßkanal 12 hinein. An der Öffnungskante der Niederdruckauslaßöffnung 7 werden infolgedessen Expansionswellen ausgelöst, die in Figur 1 der Zeichnung schematisch bei 25 angedeutet sind und durch die Zelle hindurchwandern. Im weiteren Verlauf des Umlaufes des Zellenrades wird die Zelle mit Bezug auf die Niederdruckauslaßöffnung 5 wieder abgeschlosseri und es bilden sich Druckwellen, die sehematisch bei 26 angedeutet "sind und durch die Zelle .hindurchwandern. Der Zelleninhalt wird nunmehr im weiteren Verlauf des Umlaufes des Zellenrades wegen des sich nunmehr

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fortschreitend verringernden Zellenvolumens so lange fort schreitend komprimiert, bis die Zelle wieder die Stelle L erreicht, wonach das soeben beschriebene Arbeitsspiel wieder ▼on neuem beginnt.

Während des Anlassens des Druckaustauscher öffnet sich das im Kanal 14 angeordnete Rückschlagventil selbsttätig, da der im Kanal 9 herrschende Brück höher als der an der Durch trittsöffnung 15 herrschende Druck ist, so daß also das unter hohem Druck stehende Strömungsmittel über die Einlaßöffnung in die Zellenradzellen eintreten kann, wodurch die Selbstan- laseung des Druckaustauschere erleichtert wird* Während des
normalen Druckaustauschtrbetriebes schließt sich jedoch dieses Rückschlagventil selbsttätig, da dann der an der Durchtrittsöffnung 15 herrschende Druck höher als der im Kanal 9 herrschen de Druck ist, so daß durch den Kanal 14 hindurch keine StrÖ-mungsmittelströmung stattfinden kann.

Bei der in Figur 3 der Zeichnung dargestellten abgewandelten Ausführungsform der Erfindung sind jeweils Durchtrittsöffnungen gleicher Funktion mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Einlaß- und Auslaßöffnungen für das unter mittlerem Druck stehende Strömungsmittel sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung so angeordnet, daß die Zellen des Zellenrades dann mit ihnen Verbindung haben, wenn sie die Stellen duren-

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laufen haben, an welchen ihr Zellenvolumen einen Größtwert hat und daß sie die Stellen noch nicht erreicht haben, an welchen ihr Zellenvolumen einen Mindestwert hat. Die Wirkungsweise der in Figur 3 der Zeichnung dargestellten Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung gleicht derjenigen des unter Bezug auf Figur 1 der Zeichnung beschriebenen Druckaustauschers.

Die Änderung des Zellenvolumens kann durch verschiedene Konstruktionen erreicht werden. Eine dieser möglichen Konstruktionen ist in Figur 4 der Zeichnung dargestellt. Der in dieser Figur dargestellte Druckaustauscher weist ein Zellenrad mit einer Vielzahl radialer Landungen 28 auf, die um ein Nabenteil 29 herum angeordnet sind. Die Außenbegrenzung des Zellenrades bildet ein umlaufendes, zylindrisches Mantelteil 30. Die^einzelnen Zellen des Zellenrades sind also durch die Zellenwandungen 28, das Nabenteil 29 und das Mantelteil 30 bestimmt. Die Zellen sind stirnseitig wiederum in üblicher Weise offen und ihre Stirnseiten werden in der in den Figuren 1 und 3 gezeigten Weise durch Durchtrittsöffnungen und dazwischenliegende Plattenteile von Endplatten geöffnet und geschlossen. Auf diese Weise können Strömungsmittel in die Zellen des Zellenrades hinein und aus diesen heraus gelangen. Die Zellenwandungen 28 sind in Nuten 31 des Nabenteils 29 in radialer

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■Richtung verschiebbar und werden durch Druckfedern 32 in Richtung auf die Innenwandung des zylindrischen Mantelteils 30 gedrängt. Das Zellenrad rotiert um eine Drehachse 33» während das zylindrische Mantelteil 30 um eine Drehachse 34- rotiert. Die Drehzahlen des Zellenrades und des zylindrischen Mantelteils sind einander im wesentlichen gleich. Das zylindrische Mantelteil 30 wird von vier Walzen 36 gehalten, die in entsprechenden Nischen eines feststehenden Druckaustauschergehäuses 35 drehbar gelagert sind. Diese Walzen oder Rollen können gemäß einer abgewandelten Konstruktion eines solchen Druckaustauscher auch in einem umlaufenden Rollenkäfig gelagert sein, in welchem Falle sie wie die Rollen eines Rollenlagers wirken, wobei der Außenring des Lagers durch das feststehende Druckaustauschergehäuse 35 und der innere Ring des Lagers durch die Außenfläche des umlaufenden zylindrischen Mantelteils 30 gebildet wird.

Wie sich aus der Zeichnung ohne weiteres ergibt, ändert sich das Volumen der einzelnen Zellenradzellen im Betriebe eines derartigen Druckaustauschers im Maße der jeweiligen Exzentrizität der Zellenraddrehachse mit Bezug auf die Drehachse des zylindrischen Mantelteils.

Der Druckaustauscher nach der Erfindung wurde in obigen

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Darlegungen als "Gleichstromdruckaustauscher" dargestellt und beschrieben, d. h. als Druckaustauscher, bei welchem die Strömungsrichtungen der durch die Zellenradzellen des Druckaustauscher hindurchtretenden Strömungsmittel in der Mitteldruckspulstufe und in der Niederdruckspülstufe gleich laufen. Der erfindungsgemäße Druckaustauscher kann selbstverständlich auch als "Gegenstromdruckaustauscher¹¹ ausgeführt sein, d. h. als Druckaustauscher, bei welchem die Strömungsrichtungen der durch die Zellen des Zellenrades hindurchströmenden Strömungsmittel in der Mitteldruckspulstufe und in der Niederdruckspülstufe in entgegengesetzten Richtungen verlaufen.

Der Druckaustauscher nach der Erfindung kann in Kühlanlagen oder als Wärmepumpe Anwendung finden.

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Claims

Patentansprüche

/'. Druckaustauscher, dessen mit stirnseitig offenen Zellen versehenes Zellenrad mit diese Zellen zeitweilig stirnseitig abschließenden Endplatten zusammenwirkt, die ihrerseits Durchtrittsöffnungen zum Einlaß bzw. zum Auslaß von Strömungsmitteln in die Zellenradzellen hinein bzw. aus diesen heraus aufweisen, welch letztere wiederum ein veränderliches Volumen haben, das mittels entsprechender Einrichtungen bei Belativdrehung zwischen dem Zellenrad und der Endplattenkonstruktion verändert wird, nach Hauptpatent (Patentanmeldung amtliches Aktenzeichen P 29 269 Ic/27c), gekennzeichnet durch einen Kanal (9) zur Zuführung eines elastischen, unter hohem Druck stehenden ütrömungsmittels zu den Zellenradzellen (1), ferner durch ein Kanalsystem (10, 12) zur Zu- und Abführung eines elastischen, unter niedrigem Druck stehenden Strömungsmittels in die Zellenradzellen hinein bzw. aus diesen heraus, und schließlich durch ein Kanalsystem (11, 13) zur Zu- und Abführung eines elastischen, unter einem, zwischen dem vorgenannten hohen Druck und dem vorgenannten niedrigen Druck gelegenen mittleren Druck stehenden Strömungsmittels in die Zellenradzellen hinein bzw. aus diesen heraus.

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2. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (9) zur Zuführung des unter hohem Druck stehenden Strömungsmittels an einer Stelle des Druckaustauschers mit den Zellenradzellen (1) Verbindung hat, an welcher diese ihr kleinstes Volumen haben und daß das Kanalsystem (10, 12) zur Zu- und Abführung des unter niedrigem Druck stehenden Strömungsmittels in die Zellenradzellen hinein bzw. aus diesen heraus an Stellen des Druckaustauschers mit den Zellenradzellen Verbindung hat, an welchen diese ihr größtes Volumen haben.
3. Druckaustauscher nach Anspruch 1 oder 2,'dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Kanalsystem (11, 13) zur Zu- und Abführung des unter mittlerem Druck stehenden Strömungsmittels in die Zellenradzellen (1) hinein bzw. aus diesen heraus ein Kühler (17) befindet.
4. Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3) dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Kanal (12) zur Abführung von unter niedrigem Druck stehendem Strömungsmittel aus den Zellenradzellen (1) heraus strömende Strömungsmittel eine niedrigere Temperatur hat als das in dem Einlaßkanal (9) zur Zuführung von unter hohem Druck stehendem Strömungsmittel in die Zellenradzellen hinein strömende Strömungsmittel.
5. Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen des Volumens der Zellenradzellen (1) mittels eines Zellenrädes (29) mit radial verschiebbaren Zellenwandungen (28) erzielt werden (Figur 4).

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