JP2005057091A - 電気車用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体スタックの冷却を行う冷却器に対する清掃作業を容易に行うことができ、保守作業員の負担を軽減すること。
【解決手段】 冷却器１０は開口部筐体３Ａの下面側に形成された風洞部８Ａ内に配設され、半導体スタック９は風洞部８Ａの上方に形成されたスタック収納室７Ａ内に配設されている。そして、風洞部８Ａを覆っている風洞カバー１１Ａを取り外すと、保守作業員は開口部３Ａａからこの冷却器１０の放熱部１０ａに対してアクセスすることができ、圧縮エアの吹きつけや洗浄等による放熱部１０ａの清掃作業を容易に行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体スタック及びその冷却器が車両床下に搭載されている電気車用電力変換装置に関するものである。

電気車駆動モータ等の電気機器に電力を供給するインバータやコンバータなどの電力変換器は、複数の半導体素子により形成される半導体スタックの形態となって、冷却器と共に車両床下に配設される。このように、車両床下に電力変換器が配設される構成は、例えば特許文献１，２に開示されている。なお、車両屋根上に電力変換器を配設する構成について、出願人は既に特許文献３に開示されている提案を行っている。

図１０は、従来装置の構成を示す縦断面図であり、図１１は図１０におけるXI-XI矢視図である。これらの図において、車両１の床下に支持部材２がネジ部材等により固着され、この支持部材２には筐体３の上面側及びその付近の個所が溶接等により固着されている。筐体３の内部には仕切部材４が設けられており、この仕切部材４の中央付近にはパッキン５を介してフレーム部材６が取り付けられている。このフレーム部材６により筐体３内にスタック収納室７及び風洞部８が形成されている。そして、フレーム部材６には半導体素子により形成されている半導体スタック９と、この半導体スタック９の冷却を放熱部１０ａにより行う冷却器１０とが取り付けられており、スタック収納室７には半導体スタック９が配設され、一方、風洞部８には放熱部１０ａが配設された状態になっている。

筐体３の下面であって半導体スタック９の下方の位置には開口部３ａが形成されており、この開口部３ａを覆う蓋体１１がネジ部材１２により筐体３の底面側に取り付けられている。また、図１１に示されているように、風洞部８の一端側の端面には開口部３ｂが形成されており、風洞部８の他端側には送風機（ブロア）１３が配設されている。

次に、上記のように構成される従来装置の作用につき説明する。車両１の車両進行方向は、図１０においては、記号Ｓ1，Ｓ2で示すように紙面の向こう側から手前側に向かう方向、あるいは紙面の手前側から向こう側に向かう方向であり、また、図１１においては、矢印Ｙ1，Ｙ2で示すように右側から左側に向かう方向、あるいは左側から右側に向かう方向である。このときに風洞部８内の冷却器１０が送風機１３により受ける冷却風の方向は矢印Ｙ3で示す方向である。

車両１の運転が行われると、半導体スタック９内の半導体素子の発熱作用のために、半導体スタック９の温度が上昇しようとするが、この上昇は冷却器１０の冷却作用により抑制される。このとき、放熱部１０ａには送風機１３からの送風が風洞部８に案内されて当たるようになっているため、半導体スタック９からの熱は効率的に放熱され、冷却器１０は充分な冷却機能を維持することができる。

ところで、車両１の運転がある程度の期間行われると、半導体スタック９内の半導体素子あるいはその他の部品には故障が発生することがある。このような場合、保守作業員は蓋体１１を取り外して修理作業を行うことになる。

また、風洞部８内には外部からの雨水や塵埃が侵入し、放熱部１０ａの表面は次第に汚れてくる。このような汚れがひどくなると、放熱部１０ａの放熱も効率よく行うことができなくなり、冷却器１０の冷却機能が次第に低下してくる。そこで、保守作業員は、蓋体１１を筐体３から取り外し、更に、フレーム部材６に取り付けられている半導体スタック９及び冷却器１０の組付体を筐体３から取り出すようにする。そして、保守作業員は、冷却器１０に対してエアの吹きつけや洗浄等を行って放熱部１０ａの表面に付着した汚れを除去する。このような清掃作業を行った後、保守作業員は再びフレーム部材６に取り付けられている半導体スタック９及び冷却器１０の組付体を元通りに筐体３内部へ組み込むようにする。これにより、冷却器１０は再び充分な冷却機能を発揮できるようになる。
特開平８−２３８９５０号公報 特開平９−２４６７６７号公報 特開２００３−７９１６４号公報

しかしながら、上記のような冷却器１０に対する清掃作業は、保守作業員に対して少なからず負担を強いる結果となっている。すなわち、フレーム部材６に取り付けられた状態の半導体スタック９及び冷却器１０の組付体はかなりの重量であり、多くの電気接続個所及び機械接続個所における接続を切り離す必要があるため、この組付体を筐体３から取り外す作業は決して容易なものではなく、取り外しの際の落下事故等により機器を破損したり、場合によっては保守作業員が思わぬ怪我を負う虞もある。

このように、従来装置における冷却器１０の清掃作業は多くの労力及び時間を要するものであるため、それほど頻繁に行われることはなく、所定の清掃作業実行サイクルに従って定期的に行われるだけであった。そして、この清掃作業実行サイクルの期間をできるだけ長くするために、実際には図１１に図示した開口部３ｂ及び開口部３ｃにフィルタ部材を取り付け、風洞部８内への雨水や塵埃の侵入量を低減することが図られている。しかし、このようなフィルタ部材のフィルタ機能を強化するためには、フィルタの目の粗さをある程度細かくする必要があるが、それは反面では冷却器１０の冷却機能を弱める結果となったり、送風機１３の容量の大型化につながる結果ともなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、半導体スタックの冷却を行う冷却器に対する清掃作業を容易に行うことができ、保守作業員の負担を軽減することが可能な電気車用電力変換装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、半導体素子により形成され、車両床下に配設された半導体スタックと、前記半導体スタックに取り付けられ、この半導体スタックからの熱を放熱する放熱部を有する冷却器と、を備えた電気車用電力変換装置において、前記半導体スタックが配設されたスタック収納室と、前記冷却器が配設され且つ前記放熱部に対する冷却風の通路となる風洞部とが形成されると共に、上面側が前記車両の床側に固着された筐体を備えており、しかも、前記風洞部は前記筐体の下面側又は側面側に形成されると共に、その下面又は側面に開口部が形成されており、更に、該開口部は、その開放又は閉塞を行う風洞カバーで覆われている、ことを特徴とする。

上記構成において、保守作業員が風洞カバーを筐体から取り外すと、目の前には冷却器の放熱部が現れる。したがって、半導体スタックと共に冷却器を筐体から取り出す必要はなく、冷却器を筐体の風洞部に位置させたままの状態で放熱部に対する清掃作業を容易に行うことができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記風洞部は前記冷却風の通過方向が車両進行方向となるように形成されている、ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記風洞部内に前記放熱部に対する冷却を行うための送風機を配設した、ことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記風洞部は前記冷却風の通過方向が車両進行方向と垂直の方向になるように形成されており、該風洞部内に配設した送風機により前記冷却風を発生させるようにした、ことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記送風機の送風方向に複数台の前記冷却器を配設した、ことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記風洞カバーは、一端側がヒンジ部材を介して前記筐体に回動可能に取り付けられたものである、ことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記風洞カバーは多孔板により形成されているものである、ことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記半導体スタックには、外部回路との電気的接続を行うためのコネクタ部材が固定されており、該半導体スタックが前記スタック収納室に配設されたとき、又は該半導体スタックが前記スタック収納室から取り除かれたときには、該コネクタ部材による外部回路との電気的接続、又はこの電気的接続の解除も同時に行われるようになっている、ことを特徴とする。

上記の本発明の構成によれば、半導体スタックの冷却を行う冷却器に対する清掃作業を容易に行うことができ、保守作業員の負担を軽減することが可能になる。

以下、本発明の各実施形態を図に基づき説明する。但し、図１０及び図１１において示した従来装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、また、同一とまでは云えないが類似ではある構成要素については従来装置の構成要素の符号の後にＡ，Ｂ，Ｃ，…等の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態の構成を示す縦断面図であり、図２は図１におけるII-II矢視図である。本発明の特徴は、風洞カバーを取り外すだけで保守作業員が冷却器に容易にアクセスすることができ、冷却器を筐体から取り出すことなく放熱部に対する清掃作業を行えるようになっている点である。

すなわち、図１０及び図１１の従来装置では、筐体３内の下面側に半導体スタック９が配設され、上面側に放熱部１０ａが配設された状態になっており、保守作業員が蓋体１１を取り外してアクセスすることができるのは半導体スタック９の方であり、放熱部１０ａにアクセスするためには半導体スタック９と共に冷却器１０を筐体３から引き出さなければならなかった。

これに対し、図１及び図２に示した第１の実施形態では、冷却器１０は開口部筐体３Ａの下面側に形成された風洞部８Ａ内に配設され、半導体スタック９は風洞部８Ａの上方に形成されたスタック収納室７Ａ内に配設されている。そして、風洞部８Ａを覆っている風洞カバー１１Ａを取り外すと、保守作業員は開口部３Ａａからこの冷却器１０の放熱部１０ａに対してアクセスすることができ、圧縮エアの吹きつけや洗浄等による放熱部１０ａの清掃作業を容易に行うことができる。

但し、本発明の構成では、半導体スタック９が冷却器１０の向こう側に配設された状態になるため、半導体スタック９に対して部品交換等の修理作業を行う場合には、フレーム部材６Ａに取り付けられている冷却器１０及び半導体スタック９の組付体を筐体３Ａから取り出す必要がある。しかし、このような半導体スタック９の修理作業は何時発生するか分からない不定期的なものであり、その頻度もそれほど高いものではない。また、このような修理作業を行う際には、半導体スタック９周りの多くの電気接続個所及び機械接続個所における接続を切り離す必要があるため、いずれにしても冷却器１０及び半導体スタック９の組付体を筐体３から取り出すことが必要となる。

これに対し、放熱部１０ａに対する清掃作業は定期的なものであり、その頻度も上記の修理作業に比べてはるかに高いものである。したがって、保守作業員の負担を軽減する観点からは、半導体スタック９に対して容易にアクセスできる構成よりも、放熱部１０ａに対して容易にアクセスできる構成の方が好ましいといえるのである。

そして、本発明の構成によれば、放熱部１０ａに対する清掃作業を高い頻度で行うことが可能になるために、図２に示した開口部３Ａｂ，３Ａｃ付近に、風洞部８Ａ内への雨水や塵埃の侵入量を低減するためのフィルタ部材を省略することも場合によっては考えられる。このような場合には、車両１走行時の走行風や送風機１３からの送風による放熱部１０ａへの接触風量を増大させることができ、冷却器１０の冷却機能を充分に高めることができる。

また、この場合、開口部３Ａｂ，３Ａｃからは、雨水や清掃時の水、あるいはスプリンクラー（新幹線の積雪地域に敷設されている）からの水などがある程度は風洞部８Ａ内に浸入することが考えられる（基本的には、これらの水の浸入は防止される構造となっているが何らかの原因で浸入する可能性が全くないわけではない。）。しかし、このような場合、スタック収納室７Ａは風洞部８Ａの上方に位置しているので、半導体スタック９が水に浸かるような事態を防ぐことができ、更に、浸入したとしても開口部３Ａａが下面側に設けられているので、これらの水を排出することは容易である。

なお、本実施形態では、図２に示したように、風洞部８Ａの他端側に送風機１３を設置し、送風機１３による送風により放熱部１０ａに対する冷却が行われるようにしているが、対象となる電気車の種類によっては送風機１３を省略し、走行風により放熱部１０ａに対する冷却を行う構成とすることも可能である。

また、図２では、送風機１３が筐体３Ａの他端側（図の右側）に配置されている例を示したが、一端側（図の左側）に配置することとしてもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態の構成を示す縦断面図である。第１の実施形態では、筐体３Ａの下面側に風洞部８Ａが形成され、この風洞部８Ａ内に放熱部１０ａが下向きの姿勢で配設されていたが、この第２の実施形態では、筐体３Ｂの側面側に風洞部８Ｂが形成され、この風洞部８Ｂ内に放熱部１０ａが横向きの姿勢で配設されている。

第１の実施形態の場合、保守作業員は風洞カバー１１Ａの真下に位置し、腰をかがめながらネジ部材１２を緩めて風洞カバー１１Ａを取り外し、その後も放熱部１０ａの真下の位置において清掃作業を行わなければならないが、この第２の実施形態では保守作業員は、第１の実施形態の場合ほどには腰をかがめる必要はなく、その分だけ保守作業員の肉体的負担を軽減することができる。

図４は、本発明の第３の実施形態の構成を示す縦断面図である。第１及び第２の実施形態では、風洞部内を通過する冷却風の方向は車両進行方向と同一方向であったが、この第３の実施形態では、矢印Ｙ4で示す送風機１３からの冷却風方向が車両進行方向と垂直の方向になるように風洞部８Ｃが形成されている。この第３の実施形態では、車両走行時の走行風の影響を受けることがないので、送風機１３送風量は、第１及び第２の実施形態で用いるものよりも小さなもので足りる。

このように、送風機１３による冷却風の方向が車両進行方向と垂直となる第３の実施形態の構成が適用される主な電気車の種類としては、例えば新幹線が考えられる。新幹線のようにかなりの高速で走行する車両の場合には、送風機の送風方向と車両走行による走行風との向きが反対のときは、送風機による送風が逆効果になるからである。また、高速走行下での走行風を利用して放熱部の冷却を行おうとすると、空気抵抗や騒音が非常に大きくなるなどの別の問題が発生するからでもある。

図５は、本発明の第４の実施形態の構成を示す縦断面図である。図２に示した第１の実施形態の構成は、１組のみの半導体スタック９及び冷却器１０の組付体が送風機１３の送風方向に配設されたものであったが、この第４の実施形態は、２組の半導体スタック９Ｘ及び冷却器１０Ｘ、並びに半導体スタック９Ｙ及び冷却器１０Ｙの組付体が送風機１３の送風方向に配設され、更に、送風機１３がこれら２組の組付体の中間部に配置されたものである。電気車の種類により、あるいは設計上の理由により、このように複数台の電力変換器を設置しなければならない場合もあり得るが、このような場合に送風機１３による放熱部１０ａに対する冷却を効率良く行うことができる。

また、図５の構成では、送風機１３が２つの冷却器１０Ｘ，１０Ｙの中間部に配設されており、一方の冷却器１０Ｙを入風により冷却すると共に、他方の冷却器１０Ｘを排風により冷却するようになっている。したがって、所謂「整風作用」を利用することで、同一風洞部８ｄ内に２つの冷却器が存在することに起因する乱流現象の発生を抑制することが期待できる。そして、このように乱流現象の発生を抑制できることから、２台の冷却器１０Ｘ，１０Ｙの中間部分に送風機１３を配設した本実施形態の構成は、後述する第５の実施形態構成よりもより大きな冷却効果を得ることができると考えられる。

図６は、本発明の第５の実施形態の構成を示す縦断面図である。図５の構成では、１台の送風機１３の前後に２台の冷却器１０Ｘ，１０Ｙが配設された構成であったが、この図６の構成では２台の冷却器１０Ｘ，１０Ｙを連続して配置し、送風機１３を風洞部８Ｅのいずれかの端部に設置した構成としている。図５の構成では、２組のフレーム部材６Ｄを製作しなければならないが、この図６の構成では１組のフレーム部材６Ｅに２台の冷却器１０Ｘ，１０Ｙを取り付けることができる。したがって、図６における筐体３Ｅは、図５における筐体３Ｄよりも寸法を小さくすることができるというメリットが得られる。なお、図６では、送風機１３が筐体３Ｅの他端側（図の右側）に配置されている例を示したが、一端側（図の左側）に配置することとしてもよい。また、図５又は図６のように、風洞部内に複数台の冷却器を配設する構成は、第５及び第６の実施形態ばかりでなく、他の実施形態において採用することが可能である。

図７は、本発明の第６の実施形態の構成を示す縦断面図である。この実施形態は、図１に示した第１の実施形態の構成において、風洞カバーの開放をより容易に行える構成としたものである。すなわち、風洞カバー１１Ｆの一端側はヒンジ部材１４により筐体３Ａに取り付けられており、風洞カバー１１Ｆはヒンジ部材１４を中心として矢印Ｙ5方向に回動可能になっている。そして、常時は、風洞カバー１１Ｆの一端側から他端側に向かう適当個所がネジ部材１２により筐体３Ａ側に取り付けられて、開口部３Ａａが風洞カバー１１Ｆで覆われた状態になっている。

この実施形態において保守作業員が放熱部１０ａに対する清掃作業を行う場合、清掃前に締結を解除し、清掃後に再度締結を行うネジ部材１２の数は他の実施形態の場合よりも少なくて済み、その分だけ労力が軽減される。また、これまでの他の実施形態では、清掃終了後に再度風洞カバーを取り付ける場合に、ネジ部材１２のねじ締め作業がスムースにできるように、風洞カバーの取付位置を調整しなければならなかったが、本実施形態では風洞カバー１１Ｆの他端側を持って、これをそのまま元の位置まで回動させるだけで済む。

図８は、本発明の第７の実施形態の構成を示す縦断面図である。この実施形態は、図１に示した第１の実施形態の構成において、風洞カバー１１Ａを風洞カバー１１Ｇに代えたものである。この風洞カバー１１Ｇは、多数の孔部１１Ｇａを有する多孔板により形成されたものである。

風洞部８Ａ内は、その一端側の開口部３Ａｂ、あるいは他端側の送風機１３を介して外気と連通しているとはいえ、とかく放熱部１０ａからの熱が籠もり勝ちになる。しかし、本実施形態のように、多孔板で形成された風洞カバー１１Ｇを用いれば、このように風洞部８Ａ内に籠もりがちな熱を多数の孔部１１Ｇａから外部に逃がすことができ、風洞部８Ａ内の温度上昇を抑制することができる。

また、風洞カバー１１Ｇが筐体３Ａに取り付けられたままの状態で、放熱部１０ａに対して圧縮エアの吹きつけや放水を行った場合にも、孔部１１Ｇａが形成されているので、放熱部１０ａの表面に付着した汚れを或る程度は除去することができる。したがって、充分な時間を確保できず短時間で清掃作業を行わなければならないような場合にも、本実施形態によれば、風洞カバー１１Ｇを取り付けたままで上記のような応急的な措置を講ずることができる。

図９は、本発明の第８の実施形態の構成を示す縦断面図である。これまでの実施形態は、放熱部１０ａに対する清掃作業を容易にするための構成を有するものであったが、この実施形態は半導体スタック９に対してメインテナンスを行う場合の配線接続作業を容易にできる構成を有するものである。

すなわち、これまでの実施形態において既述したように、放熱部１０ａに対する清掃作業を行う場合には風洞カバー１１Ａ〜１１Ｇを開放するだけでよかったが、半導体スタック９に対して部品交換等の修理作業を行う場合は、半導体スタック９と他の外部回路との配線接続を切り離した上で、半導体スタック９及び冷却器１０の組付体を筐体３Ａ〜３Ｅから取り出す必要があり、更に、修理作業を完了した後は再度配線接続を元の状態に戻さなければならない。このような配線作業は煩雑な作業であり、場合によっては保守作業員が接続を誤る虞もある。

そこで、本実施形態では、半導体スタック９には内部のインバータやコンバータに接続されているコネクタ１５を取り付けると共に、筐体３Ａ側には外部回路に接続されている接続端子１６を固設する構成としている。そして、半導体スタック９がスタック収納室７Ａ内に正規の状態で配設されている場合には、自動的にコネクタ１５と接続端子１６とが接続状態となるようにし、一方、修理作業等により半導体スタック９がスタック収納室７Ａから取り除かれたときには自動的にコネクタ１５と接続端子１６との接続が解除されるようになっている。このような構成によれば、保守作業員は、従来、メインテナンス作業の度に煩わされていた配線作業を行う必要がなくなり、労力及び作業時間を軽減することができるようになる。

本発明の第１の実施形態の構成を示す縦断面図。 図１におけるII-II矢視図。 本発明の第２の実施形態の構成を示す縦断面図。 本発明の第３の実施形態の構成を示す縦断面図。 本発明の第４の実施形態の構成を示す縦断面図。 本発明の第５の実施形態の構成を示す縦断面図。 本発明の第６の実施形態の構成を示す縦断面図。 本発明の第７の実施形態の構成を示す縦断面図。 本発明の第８の実施形態の構成を示す縦断面図。 従来装置の構成を示す縦断面図。 図１０におけるXI-XI矢視図。

符号の説明

１ 車両
２ 支持部材
３，３Ａ〜３Ｅ 筐体
３ａ，３Ａａ〜３Ｅａ 開口部
３ｂ，３Ａｂ〜３Ｅｂ 開口部
３ｃ，３Ａｃ〜３Ｅｃ 開口部
４，４Ａ〜４Ｅ 仕切部材
５，５Ａ〜５Ｅ パッキン
６，６Ａ〜６Ｅ フレーム部材
７，７Ａ〜７Ｅ スタック収納室
８，８Ａ〜８Ｅ 風洞部
９ 半導体スタック
１０ 冷却器
１０Ａ 放熱部
１１ 蓋体
１１Ａ〜１１Ｅ 風洞カバー
１２ ネジ部材
１３ 送風機
１４ ヒンジ部材
１５ コネクタ
１６ 接続端子
Ｓ1，Ｓ2 車両進行方向
Ｙ1，Ｙ2 車両進行方向
Ｙ3 冷却風方向
Ｙ4 冷却風方向
Ｙ5 風洞カバー１１Ｆの回動方向

Claims (8)

1. 半導体素子により形成され、車両床下に配設された半導体スタックと、
   前記半導体スタックに取り付けられ、この半導体スタックからの熱を放熱する放熱部を有する冷却器と、
   を備えた電気車用電力変換装置において、
   前記半導体スタックが配設されたスタック収納室と、前記冷却器が配設され且つ前記放熱部に対する冷却風の通路となる風洞部とが形成されると共に、上面側が前記車両の床側に固着された筐体を備えており、
   しかも、前記風洞部は前記筐体の下面側又は側面側に形成されると共に、その下面又は側面に開口部が形成されており、更に、該開口部は、その開放又は閉塞を行う風洞カバーで覆われている、
   ことを特徴とする電気車用電力変換装置。
2. 前記風洞部は前記冷却風の通過方向が車両進行方向となるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の電気車用電力変換装置。
3. 前記風洞部内に前記放熱部に対する冷却を行うための送風機を配設した、
   ことを特徴とする請求項２記載の電気車用電力変換装置。
4. 前記風洞部は前記冷却風の通過方向が車両進行方向と垂直の方向になるように形成されており、該風洞部内に配設した送風機により前記冷却風を発生させるようにした、
   ことを特徴とする請求項１記載の電気車用電力変換装置。
5. 前記送風機の送風方向に複数台の前記冷却器を配設した、
   ことを特徴とする請求項３記載の電気車用電力変換装置。
6. 前記風洞カバーは、一端側がヒンジ部材を介して前記筐体に回動可能に取り付けられたものである、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気車用電力変換装置。
7. 前記風洞カバーは多孔板により形成されているものである、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電気車用電力変換装置。
8. 前記半導体スタックには、外部回路との電気的接続を行うためのコネクタ部材が固定されており、
   該半導体スタックが前記スタック収納室に配設されたとき、又は該半導体スタックが前記スタック収納室から取り除かれたときには、該コネクタ部材による外部回路との電気的接続、又はこの電気的接続の解除も同時に行われるようになっている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電気車用電力変換装置。

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