JP2016217141A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成によって回転軸および軸受の摩耗を抑制する。【解決手段】流体が圧縮される圧縮室２０を形成する可動部材１８および固定部材１９と、可動部材１８を回転させる回転軸１５と、回転軸１５のうち可動部材１８に近い側の部位を回転可能に支持する主軸受３０と、回転軸１５のうち可動部材１８から遠い側の部位を回転可能に支持する副軸受３１とを備え、主軸受３０および副軸受３１のうち少なくとも一方の軸受の軸受面は、圧縮室２０の圧力が最大になっているときの回転軸１５との相対角度が、圧縮室２０の圧力が最小になっているときの回転軸１５との相対角度よりも小さくなるように、固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行になっている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸を支持する軸受を備える圧縮機に関する。

従来、回転軸を支持する軸受を備える圧縮機においては、回転軸が軸受に片当たりすることによって回転軸および軸受の摩耗が著しくなり、ひいては信頼性を低下させるという問題がある。

例えば、スクロール式の圧縮機では、回転軸の偏心部に圧縮反力が変動的に作用する（後述する図６を参照。）。そのため、回転軸に撓みが生じ、回転軸と軸受の相対角度が大きくなって片当りが生じてしまう。

これに対し、従来、特許文献１には、自動調芯軸受を備える圧縮機が記載されている。自動調芯軸受は、球面軸受と、内部に球面形状をもつハウジングとで構成されている。

この特許文献１には、クランク軸（回転軸）に傾きが生じた場合でも、自動調芯軸受の自動調芯機能によって異常な片当たりを防止できる旨が記載されている。

特開平６−１７３８７７号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術では、球面軸受とハウジングとが微視的には点接触になることに加え、圧縮反力が変動的に作用すると自動調芯軸受に微小すべりが生じることによって、フレッティングや微小焼付きが生じる可能性がある。

また、球面軸受およびハウジングの両部品に球面加工を行う必要があるので、一般的なすべり軸受と比較して加工工数が多くなるとともに精度の確保が困難である。

本発明は上記点に鑑みて、簡素な構成によって回転軸および軸受の摩耗を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
流体が圧縮される圧縮室（２０）を形成する可動部材（１８）および固定部材（１９）と、
可動部材（１８）を回転させる回転軸（１５）と、
回転軸（１５）のうち可動部材（１８）に近い側の部位を回転可能に支持する主軸受（３０）と、
回転軸（１５）のうち可動部材（１８）から遠い側の部位を回転可能に支持する副軸受（３１）とを備え、
主軸受（３０）および副軸受（３１）のうち少なくとも一方の軸受の軸受面は、圧縮室（２０）の圧力が最大になっているときの回転軸（１５）との相対角度が、圧縮室（２０）の圧力が最小になっているときの回転軸（１５）との相対角度よりも小さくなるように、固定部材（１９）の軸方向（Ｄ０）に対して非平行になっていることを特徴とする。

これによると、回転軸（１５）に作用する圧縮反力（Ｆ）が最大になっているときの回転軸（１５）の外周面と軸受（３０、３１）の軸受面との相対角度を小さくできる。そのため、簡素な構成によって、回転主軸（１５）および軸受（３０、３１）の摩耗を抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態における圧縮機を示す断面図である。 第１実施形態における圧縮機の要部を示す断面図である。 第１実施形態において圧縮反力が作用しているときの回転主軸等を示す断面図である。 第１実施形態における可動スクロールの旋回位置を示す断面図である。 第１実施形態における回転主軸の回転角度方向を説明する説明図である。 第１実施形態における圧縮反力の変動を説明するグラフである。 第２実施形態における圧縮機の要部を示す断面図である。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に示す圧縮機１０は、冷凍サイクルの冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。本実施形態では、冷媒は二酸化炭素である。

圧縮機１０は、ハウジング１１とミドルハウジング１２とを備えている。ハウジング１１は、可動スクロール１８（可動部材）および固定スクロール１９（固定部材）を支持している。可動スクロール１８および固定スクロール１９は、圧縮機構部を構成している。

ミドルハウジング１２は、電動機部１３の主軸１５を支持している。ミドルハウジング１２は、円筒状のハウジング１１に隙間ばめされている。ミドルハウジング１２の外周部は、ハウジング１１に溶接にて固定されている。例えば、ミドルハウジング１２の外周部は、ハウジング１１に３、４箇所のくさび状の点溶接部２８によって固定されている。

円筒状のハウジング１１の両端部は端部壁１１ａ、１１ｂによって閉塞されている。一方の端部壁１１ａには吸引管１４が設けられている。吸引管１４は、冷媒回路から還流される冷媒をハウジング１１内に吸引する。

圧縮機１０は、圧縮機構を作動することで、ハウジング１１内を吸入圧力雰囲気となるようにして、吸引管１４を介してハウジング１１内に冷媒を取り込む。

電動機部１３は、固定子１３ａと回転子１３ｂとを有している。固定子１３ａは、円筒状であり、ハウジング１１の内壁に沿って配置されている。固定子１３ａの内側には、回転主軸１５に固定された回転子１３ｂが配置されている。

本実施形態では、回転主軸１５は水平方向に延びている。回転主軸１５は、上下方向やその他の方向に延びていてもよい。

回転主軸１５は、一端側が主軸受３０に回転可能に支持され、他端側が副軸受３１に回転可能に支持されている。主軸受３０および副軸受３１は、回転主軸１５を支持する円筒状の滑り軸受け（巻きブッシュ）である。

副軸受３１は、端部壁１１ａ近傍の軸受支持部材１７に固定されている。軸受支持部材１７は、鍔付き円筒状に形成されており、軸受支持部材１７の円筒部の内周面に副軸受３１が固定されている。

軸受支持部材１７は、隔壁１６に支持されている。隔壁１６は、軸受支持部材１７が固定されるフレーム部材である。隔壁１６はハウジング１１の内壁に支持されている。軸受支持部材１７は、隔壁１６の中央に形成された孔に挿入されている。

軸受支持部材１７は、その鍔部において隔壁１６に固定されている。本実施形態では、軸受支持部材１７の鍔部は、ボルトによって隔壁１６に締結固定されている。

隔壁１６は、周縁部にフランジを有する円板状に形成されている。隔壁１６のフランジは、ハウジング１１の内壁に当接した状態で溶接されている。

回転主軸１５の一端側は、ミドルハウジング１２を貫通している。回転主軸１５の一端部は、偏心された偏心部１５ａを形成している。偏心部１５ａには可動スクロール１８が取り付けられている。固定スクロール１９は、可動スクロール１８に対向して配置されている。

可動スクロール１８は、略円盤状であり、可動側渦巻１８ａとボス部１８ｂとを有している。可動側渦巻１８ａは、固定スクロール１９側に向かって突出し、平面形状がインボリュート曲線状になっている。

ボス部１８ｂは、ミドルハウジング１２側に向かって円筒状に突出している。ボス部１８ｂには、回転主軸１５の偏心部１５ａが挿入されている。

固定スクロール１９のうち可動スクロール１８側の端面には、固定側渦巻１９ａが形成されている。圧縮室２０は、可動スクロール１８の可動側渦巻１８ａと固定スクロール１９の固定側渦巻１９ａとの間に形成される空間である。

ミドルハウジング１２は、電動機部１３側から固定スクロール１９側に向かって、順次径が大きくなる３段円筒状をなしている。すなわち、ミドルハウジング１２は、電動機部１３に近い小径円筒１２ａ、中間円筒１２ｂ、および固定スクロール１９に近い大径円筒１２ｃを有している。

小径円筒１２ａの内周面には、主軸受３０が固定されている。小径円筒１２ａは、主軸受３０を支持する軸受支持部である。ミドルハウジング１２は、主軸受３０を支持する軸受支持部材である。

中間円筒１２ｂは、回転主軸１５他端側の偏心部１５ａと可動スクロール１８におけるボス部１８ｂとの嵌合部を収容する空間を構成している。

大径円筒１２ｃのうち可動スクロール１８側の端面にはスラスト座２１が形成されている。スラスト座２１は、平坦な面であり、スラスト軸受２３を介して可動スクロール１８と接触する。スラスト軸受２３は、すべり軸受である。

固定スクロール１９の最外周部には、大径円筒１２ｃに向かって突出した外周縁部１８ｃが形成されている。外周縁部１８ｃは、大径円筒１２ｃに密接しており、可動スクロール１８の周りを取り囲んでいる。

可動スクロール１８と固定スクロール１９との間には、オルダムリング２２が介在している。オルダムリング２２は、可動スクロール１８の自転を防止する自転防止手段である。これにより、可動スクロール１８は公転のみが許容されている。

回転主軸１５が回転すると可動スクロール１８が固定スクロール１９に対して旋回するので、複数の圧縮室２０が容積を縮小し、固定側渦巻１９ａの最外周側に連通する吸入室（図示省略）に供給された冷媒を圧縮する。

可動スクロール１８と固定スクロール１９とによって圧縮された冷媒は、吐出口２４から吐出室２５に吐出される。

吐出口２４は、固定側渦巻１９ａの中心部にて固定スクロール１９を軸方向に貫通している。吐出室２５は、固定スクロール１９に対して固定側渦巻１９ａの反対側に形成された密閉空間である。吐出室２５内には吐出弁２６が配置されている。吐出弁２６は、吐出口２４を閉止することによって吐出された冷媒が逆流することを防止する。

吐出室２５に吐出された冷媒は、吐出管２７を通じてハウジング１１の外側に吐出される。吐出管２７は、吐出室２５からハウジング１１の外側まで延びている。

図２に示すように、副軸受３１の軸受面（内周面）は、固定スクロール１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に傾いている。より具体的には、副軸受３１の軸受面（内周面）の軸方向Ｄ１は、固定スクロール１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に傾いている。

固定スクロール１９の軸方向Ｄ０は、固定スクロール１９の固定側渦巻１９ａの歯底面に対して垂直になっている。したがって、副軸受３１の軸受面は、固定側渦巻１９ａの歯底面に対して非垂直になっている。

固定スクロール１９の軸方向Ｄ０は、ミドルハウジング１２のスラスト座２１（平坦面）に対して垂直になっている。したがって、副軸受３１の軸受面は、平坦面であるスラスト座２１に対して非垂直になっている。

図２（ａ）の例では、副軸受３１の軸受面を傾かせるために、軸受支持部材１７の鍔部が偏肉されている。

図２（ｂ）の例では、副軸受３１の軸受面を傾かせるために、軸受支持部材１７の鍔部と隔壁１６との間にワッシャー状のシム３２が挟み込まれている。

図２（ｃ）の例では、副軸受３１の軸受面を傾かせるために、副軸受３１が偏肉されている。

図２（ｄ）の例では、副軸受３１の軸受面を傾かせるために、隔壁１６が、固定スクロール１９の軸方向Ｄ０に対して傾くようにハウジング１１に固定されている。すなわち、隔壁１６の外周フランジが、隔壁１６の内側円板部に対して非垂直な方向に延びている。

図２（ｅ）の例では、副軸受３１の軸受面を傾かせるために、隔壁１６のうち軸受支持部材１７の鍔部と当接する部位が偏肉されている。

一方、図３に示すように、円筒状の主軸受３０の軸受面は、固定スクロール１９の軸方向Ｄ０に対して平行になっている。

図３では、回転主軸１５に最大圧縮反力Ｆｍａｘが作用して回転主軸１５の撓みが最大になっている状態を示している。図３に示すように、副軸受３１の軸受面は、最大圧縮反力Ｆｍａｘの方向と反対の方向側に傾斜している。

ここで、最大圧縮反力Ｆｍａｘの方向について説明する。図４は、回転主軸１５の回転角度θに対する可動スクロール１８の旋回位置を示している。回転主軸１５の回転角度θが０°のとき、圧縮室２０は、吸入口１９ｂからの冷媒の吸入を完了して圧縮を開始する。

圧縮室２０で冷媒が圧縮されると、圧縮反力Ｆがラジアル荷重として可動スクロール１８および回転主軸１５の偏心部１５ａに作用する。回転主軸１５の偏心部１５ａに圧縮反力Ｆが作用すると、回転主軸１５は圧縮反力Ｆの方向と反対の方向に撓む。

圧縮反力Ｆは、圧縮室２０の内圧および幾何学形状と相関関係があり、回転主軸１５の回転角度方向Ｄθに対してほぼ９０°遅れた方向になる。

図５に示すように、回転主軸１５の回転角度方向Ｄθとは、固定スクロール１９の中心Ｃ１から偏心部１５ａの中心Ｃ２へ向かう方向のことである。

図６（ａ）は、回転主軸１５の回転角度θと圧縮反力Ｆ（ラジアル荷重）の大きさとの関係を示している。圧縮反力Ｆの大きさは、回転主軸１５の回転に伴って周期的に変動する。その理由は、図６（ｂ）に示すように、回転主軸１５の回転角度θが大きくなるにつれて圧縮室２０の容積Ｖが縮小する一方、圧縮室２０から吐出室２５へ吐出を開始した直後に圧縮室２０の圧力Ｐがピークになるからである。

圧縮室２０の圧力がピークになるときの回転主軸１５の回転角度θｐ（以下、最大圧角度と言う。）は、以下の数式で近似することができる。
θｐ＝(−６９．４×ε＋３１６．８）×Ｎ＋（３６．５×ε−１６６．７）
この数式において、εは圧縮比であり、Ｎはスクロールの巻数である。図４の例では、スクロールの巻数Ｎは２である。

上述のように、圧縮反力Ｆの方向は、回転主軸１５の回転角度方向Ｄθに対してほぼ９０°遅れた方向になり、回転主軸１５が撓む方向は、圧縮反力Ｆの方向と反対の方向になる。すなわち、回転主軸１５が撓む方向は、回転主軸１５の回転角度方向Ｄθに対してほぼ９０°進んだ方向になる。

したがって、最大圧角度θｐよりも９０°進んだ方向側に副軸受３１を傾斜させることによって、最大圧縮反力Ｆｍａｘの方向と反対の方向側に副軸受３１を傾斜させることができるので、回転主軸１５の撓みが最大になっているときの回転主軸１５と副軸受３１との相対角度を小さくすることができる。

換言すれば、副軸受３１の傾斜方向を、θｐ以上、θｐ＋１８０°以下の範囲内にすることによって、最大圧縮反力Ｆｍａｘの方向と反対の方向側に副軸受３１を傾斜させることができるので、回転主軸１５の撓みが最大になっているときの回転主軸１５の外周面と副軸受３１の軸受面との相対角度を小さくすることができる。

ちなみに、上記数式において、例えば、圧縮比εが冬期条件では２．５、中間期（春秋期）条件では２．２、夏期条件では１．９である場合、スクロールの巻数Ｎが２であると最大圧角度θｐは冬期条件と夏期条件とで６０°の差が生じ、スクロールの巻数Ｎが４であると最大圧角度θｐは冬期条件と夏期条件とで１５０°の差が生じる。

次に、上記構成における作動を説明する。圧縮機１０の電動機部１３を起動して圧縮機構部を作動させると、ハウジング１１内部の圧力が吸入圧力となり、冷媒回路から還流された冷媒が、端部壁１１ａの吸引管１４を介してハウジング１１内に吸引され、ハウジング１１内から固定側渦巻１９ａの最外周側に連通する吸入室に供給される。

電動機部１３の回転主軸１５が回転することによって、可動スクロール１８が固定スクロール１９に対して旋回して複数の圧縮室２０の体積が縮小されることによって、吸入室に供給された冷媒が圧縮される。

圧縮室２０で圧縮された冷媒は、吐出口２４から吐出室２５に吐出され、吐出室２５に吐出された冷媒は吐出管２７を通過して冷媒回路へと供給される。

本実施形態では、副軸受３１の軸受面は、圧縮室２０の圧力が最大になっているときの回転軸１５との相対角度が、圧縮室２０の圧力が最小になっているときの回転軸１５との相対角度よりも小さくなるように、固定スクロール１９の軸方向Ｄ０に対して非垂直になっている。

これによると、回転主軸１５に作用する圧縮反力Ｆ（ラジアル荷重）が最大になっているときの回転主軸１５の外周面と副軸受３１の軸受面との相対角度を小さくできるので、回転主軸１５および副軸受３１の摩耗を抑制できる。

背反として、回転主軸１５に作用する圧縮反力Ｆが小さいときの回転主軸１５と副軸受３１との相対角度が大きくなるが、このときの圧縮反力Ｆは小さいことから回転主軸１５および副軸受３１の摩耗は少ない。

主軸受３０および副軸受３１は滑り軸受け（巻きブッシュ）であるので、上記従来技術のような球面軸受と比較して、加工や組付けの作業が容易である。また、滑り軸受け（巻きブッシュ）が用いられている既存の圧縮機への適用が容易である。

冷媒が二酸化炭素である場合、差圧が大きくなって圧縮反力も大きくなるので、本実施形態による摩耗抑制効果が顕著に得られる。

本実施形態では、副軸受３１の軸受面は、圧縮室２０の圧力が最大になっているときの圧縮反力Ｆｍａｘの方向と反対の方向側に傾斜している。これにより、圧縮室２０の圧力が最大になっているときの回転軸１５との相対角度を、圧縮室２０の圧力が最小になっているときの回転軸１５との相対角度よりも確実に小さくできる。

本実施形態では、軸受支持部材１７は、副軸受３１を固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に支持している。これにより、副軸受３１の軸受面を固定スクロール１９の軸方向Ｄ０に対して非垂直にできる。

図２（ａ）の実施例では、軸受支持部材１７の鍔部は偏肉状に形成されている。これにより、副軸受３１を固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に支持する構造を容易に実現できる。

図２（ｂ）の実施例では、軸受支持部材１７と隔壁１６との間にシム３２が挟み込まれている。これにより、副軸受３１を固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に支持する構造を容易に実現できる。

図２（ｃ）の実施例では、副軸受３１は偏肉状に形成されている。これにより、副軸受３１を固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に支持する構造を容易に実現できる。

図２（ｄ）の実施例では、隔壁１６は、固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行になるようにハウジング１１に固定されている。これにより、副軸受３１を固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に支持する構造を容易に実現できる。

図２（ｅ）の実施例では、隔壁１６は偏肉状に形成されている。これにより、副軸受３１を固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に支持する構造を容易に実現できる。

（第２実施形態）
上記実施形態では、円筒状の副軸受３１の軸受面が固定スクロール１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に傾いているが、本実施形態では、図７に示すように、円筒状の主軸受３０の軸受面（内周面）が固定スクロール１９の軸方向に対して非平行に傾いている。

図７（ａ）の例では、主軸受３０の軸受面を傾かせるために、ミドルハウジング１２の軸受部１２ａが偏肉されている。

図７（ｂ）の例では、主軸受３０の軸受面を傾かせるために、主軸受３０が偏肉されている。

主軸受３０の軸受面の傾斜方向は、上記実施形態における副軸受３１の軸受面の傾斜方向と同様である。

本実施形態においても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

図７（ａ）の実施例では、ミドルハウジング１２の円筒状の軸受部１２ａ（円筒部）は偏肉状に形成されている。これにより、主軸受３０を固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に支持する構造を容易に実現できる。

図７（ｂ）の実施例では、主軸受３０は偏肉状に形成されている。これにより、主軸受３０を固定部材１９の軸方向Ｄ０に対して非平行に支持する構造を容易に実現できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を適宜組み合わせ可能である。上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、スクロール式の圧縮機１０に本発明を適用しているが、容積型の種々の圧縮機に本発明を適用可能である。

例えば、圧縮室の容積が短い周期で増減するレシプロ式の圧縮機や、圧縮室の容積が正弦曲線状に変動するロータリー式の圧縮機等に本発明を適用可能である。

（２）上記実施形態では、圧縮機１０が吸入して吐出する冷媒は二酸化炭素であるが、圧縮機１０は、二酸化炭素以外の種々の冷媒を吸入して吐出するようになっていてもよい。

（３）上記実施形態では、圧縮機１０は、冷凍サイクルの冷媒を吸入し、圧縮して吐出する圧縮機であるが、圧縮機１０は、種々の流体を吸入し、圧縮して吐出する圧縮機であってもよい。

１１ ハウジング
１２ ミドルハウジング（軸受支持部材）
１５ 回転主軸（回転軸）
１６ 隔壁（フレーム部材）
１７ 副軸受支持部材（軸受支持部材）
１８ 可動スクロール（可動部材）
１９ 固定スクロール（固定部材）
２０ 圧縮室
３０ 主軸受
３１ 副軸受

Claims (9)

1. 流体が圧縮される圧縮室（２０）を形成する可動部材（１８）および固定部材（１９）と、
   前記可動部材（１８）を回転させる回転軸（１５）と、
   前記回転軸（１５）のうち前記可動部材（１８）に近い側の部位を回転可能に支持する主軸受（３０）と、
   前記回転軸（１５）のうち前記可動部材（１８）から遠い側の部位を回転可能に支持する副軸受（３１）とを備え、
   前記主軸受（３０）および前記副軸受（３１）のうち少なくとも一方の軸受の軸受面は、前記圧縮室（２０）の圧力が最大になっているときの前記回転軸（１５）との相対角度が、前記圧縮室（２０）の圧力が最小になっているときの前記回転軸（１５）との相対角度よりも小さくなるように、前記固定部材（１９）の軸方向（Ｄ０）に対して非平行になっていることを特徴とする圧縮機。
2. 前記軸受面は、前記圧縮室（２０）の圧力が最大になっているときの圧縮反力（Ｆｍａｘ）の方向と反対の方向側に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記少なくとも一方の軸受は円筒状に形成されており、
   さらに、前記少なくとも一方の軸受を、前記固定部材（１９）の軸方向（Ｄ０）に対して非平行に支持する軸受支持部材（１７、１２）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。
4. 前記軸受支持部材（１７、１２）は、前記少なくとも一方の軸受を支持する円筒状の円筒部を有しており、
   前記円筒部は偏肉状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
5. 前記軸受支持部材（１７）が固定されるフレーム部材（１６）を備え、
   前記軸受支持部材（１７）は、前記少なくとも一方の軸受を支持する円筒状の円筒部と、前記フレーム部材（１６）に固定される鍔部とを有しており、
   前記鍔部は偏肉状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
6. 前記少なくとも一方の軸受は偏肉状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。
7. 前記軸受支持部材（１７）が固定されるフレーム部材（１６）を備え、
   前記フレーム部材（１６）は偏肉状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。
8. 前記軸受支持部材（１７）が固定されるフレーム部材（１６）と、
   前記可動部材（１８）、前記固定部材（１９）、前記回転軸（１５）、前記主軸受（３０）および前記副軸受（３１）を収容するハウジング（１１）とを備え、
   前記フレーム部材（１６）は、前記固定部材（１９）の軸方向（Ｄ０）に対して非平行になるように前記ハウジング（１１）に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。
9. 前記軸受支持部材（１７）が固定されるフレーム部材（１６）と、
   前記軸受支持部材（１７）と前記フレーム部材（１６）との間に挟み込まれるシム（３２）とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。

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