JP3719273B2 - 圧縮機および冷凍サイクル - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧縮機に関するもので、二段膨張冷凍サイクル用圧縮機として用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、冷凍サイクルの効率の向上を図る手段として、周知の二段膨張冷凍サイクルが提案されている。
この二段膨張冷凍サイクルは、第１膨張弁通過後の冷房に直接寄与しない中間圧力を有する気体冷媒（中間圧冷媒）を、気液分離器によって取り出し、この中間圧冷媒を、再び圧縮することによって、圧縮機の仕事量を減らし、冷凍サイクルの効率の向上を図るものである。
【０００３】
従来、この二段膨張冷凍サイクルを実施するためには、２台の圧縮機（２段圧縮式）を必要としていたので、圧縮機が１台の通常の冷凍サイクルに比べて、圧縮機が１台増えた分だけ、冷凍サイクルの製造原価が上昇し、冷凍サイクルの効率の向上に対して製造原価が高い（費用対効果が小さい）という問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、この問題を解決するため、特開昭５０−１４５９１５号公報に記載のように、ベーン型の２段圧縮機が提案されているが、この圧縮機は、その吸入、吐出通路が複雑となり、十分な費用対効果が得られないという問題がある。
また、他の解決手段としては、特開平２−９６１６５号公報に記載のように、１台の圧縮機で二段膨張冷凍サイクルを実施する発明が提案されている。しかし、この発明は、圧縮機の圧縮行程中の空間内に、中間圧冷媒をインジェクションするので、この中間圧冷媒の有する圧力（膨張しようとする力）と圧縮機の圧縮させようとする力とが対抗する。したがって、圧縮に必要な力が増加し、上述の２段圧縮式に比べて、冷凍サイクルの効率の向上効果が小さいという問題がある。さらに、中間圧冷媒を圧縮行程中の空間内に導くので、冷媒通路に逆止弁が必要となり、十分な費用対効果が得られないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、製造原価の低減を図ると共に、効率の高い冷凍サイクルを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を用いる。請求項１に記載の発明では、低圧媒体を吸入する吸入ポート（１７）と、前記吸入ポート（１７）から吸入された前記低圧媒体を圧縮する圧縮機構（１４、１６）と、前記圧縮機構（１４、１６）で圧縮された高圧媒体を吐出する吐出ポート（１９）とを有する圧縮機において、
前記低圧媒体と前記高圧媒体との中間圧力を有する中間圧媒体を、前記圧縮機構（１４、１６）の吸入行程中の空間（２３）内に、インジェクションする中間圧吸入ポート（１８）を有しており、
前記中間圧媒体がインジェクションされた前記吸入行程中の空間（２３）内の圧力が前記低圧媒体の圧力と等しくなるまで前記中間圧媒体を膨張させ、
かつ、前記吸入行程中の空間（２３）内の圧力が、前記低圧媒体と等しくなったとき、前記低圧媒体が前記吸入行程中の空間（２３）内に吸入され始めるように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、渦巻き状のスクロール（１４ａ）およびそのスクロールと一体形成された端板部（１４ｂ）からなる可動スクロール（１４）と、渦巻き状のスクロール（１６ａ）を有する固定スクロール（１６）と、低圧媒体を吸入する吸入ポート（１７）と、前記可動スクロール（１４）の公転によって圧縮された高圧媒体を吐出する吐出ポート（１９）とを具備するスクロール型圧縮機において、
前記低圧媒体と前記高圧媒体との中間圧力を有する中間圧媒体を、前記可動スクロール（１４）と固定スクロール（１６）とによって形成される吸入行程中の空間（２３）内にインジェクションする中間圧吸入ポート（１８）を有しており、
前記中間圧媒体がインジェクションされた前記吸入行程中の空間（２３）内の圧力が前記低圧媒体の圧力と等しくなるまで前記中間圧媒体を膨張させ、
かつ、前記吸入行程中の空間（２３）内の圧力が、前記低圧媒体と等しくなったとき、前記低圧媒体が前記吸入行程中の空間（２３）内に吸入され始めるように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載のスクロール型圧縮機において、前記固定スクロール（１６）と結合して、閉じた空間を形成するハウジングと、
前記可動スクロール（１４）のスクロール終端部（１４ｃ）の所定部位に設けられ、前記端板部（１４ｂ）を貫通するスクロールポート（１８ｂ）と、
前記ハウジング（１０）の所定部位に設けられ、前記中間圧吸入ポート（１８）と連通するハウジングポート（１８ａ）とを具備し、
前記可動スクロール（１４）は、前記固定スクロール（１６）と前記ハウジング（１０）とによって形成される閉じた空間内に公転可能に配置されており、
前記可動スクロール（１４）の公転途中において、前記スクロールポート（１８ｂ）と前記ハウジングポート（１８ａ）とが、互いにオーバラップするように構成されており、 前記両ポートが互いにオーバラップしたとき、前記吸入行程中の空間（２３）内と、前記中間圧吸入ポート（１８）とが連通するように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧縮機と、
前記圧縮機の吐出ポート（１９）から吐出した圧縮冷媒の放熱手段をなす凝縮器（２）と、
前記凝縮器（２）で凝縮した冷媒を減圧する第１減圧器（３）と、
前記第１減圧器（３）を通過した冷媒を、液体冷媒と気体冷媒とに分離する気液分離器（４）と、
前記気液分離器（４）を通過した液体冷媒を減圧する第２減圧器（５）と、
前記第２減圧器（５）で減圧された低温低圧冷媒によって冷却を行う蒸発器（６）と、
前記気液分離器（４）で分離された気体冷媒を、前記圧縮機の中間圧吸入ポート（１８）に導く管と、
前記蒸発器（６）で気化した気体冷媒を、前記圧縮機の吸入ポート（１７）に導く管とを具備する二段膨張冷凍サイクルを特徴とする。
【００１０】
なお、上記各手段のカッコ内の符号は、後述する実施例記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
【発明の作用効果】
請求項１〜４に記載の発明によれば、吸入行程中の空間に中間圧媒体をインジェクションすることによって１台の圧縮機で、２段膨張冷凍サイクルを実施することができるので、２台の圧縮機を用いて実施する２段膨張冷凍サイクルに比べて、安価に２段膨張冷凍サイクルを実施することができる。したがって、安価に冷凍サイクルの効率の向上を図ることができる。
【００１２】
また、低圧媒体と高圧媒体との中間圧力を有する中間圧媒体を、中間圧吸入ポートから圧縮機構の吸入行程中の空間内に、インジェクションすることができるので、中間圧力媒体が有する圧力（膨張しようとする力）は、吸入行程中の空間を膨張させる力の方向と重なる。しがって、中間圧力冷媒が有する圧力は、吸入行程中の空間を膨張させる力になる（内部エネルギーが機械的エネルギーに変換される）ので、圧縮行程中の空間に、中間圧媒体をインジェクションする２段膨張サイクル（圧縮に必要な力が増加する）に比べて、圧縮機の省動力化を図ることができる。延いては、冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。
【００１３】
しかも、請求項１〜４に記載の発明によれば、吸入行程中の空間内の圧力が低圧媒体の圧力と等しくなるまで中間圧媒体を膨張させ、中間圧媒体がインジェクションされた吸入行程中の空間内の圧力が、低圧媒体と等しくなったとき、低圧媒体が吸入行程中の空間内に吸入され始めるので、空間内の圧力が低圧媒体の圧力と等しくなるまで中間圧媒体を膨張させることができる。
したがって、中間圧力媒体が有する圧力（内部エネルギー）を、低圧媒体を逆流させるような不必要な力とならず、有効に吸入行程中の空間を膨張させる機械的エネルギーに変換することができる。延いては、圧縮機の省動力化をより図ることができる。
【００１４】
また、低圧媒体が逆流しないので、逆止弁等の逆流防止機構を設けなくてもよい。したがって、より安価に２段膨張冷凍サイクルを実施することができる。
請求項３に記載の発明によれば、スクロール型圧縮機のハウジングに設けられて動かないハウジングポートと、可動スクロールに設けられて公転するスクロールポートとのオーバラップ状態を利用して、中間圧吸入ポートから吸入行程中の空間への連通状態を制御することができるので、新たに、制御弁等の制御手段を設けなくても、吸入行程中の空間内へのインジェクションを制御することができる。したがって、より一層安価に２段膨張冷凍サイクルを実施することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を図に示す実施例について説明する。
図１は、本実施例に係る二段膨張冷凍サイクルの模式図である。以下に、図１に示す二段膨張冷凍サイクルについて述べた後に、この二段膨張冷凍サイクルにに用いる圧縮機について詳細に述べる。
【００１６】
１は、冷媒を圧縮する圧縮機で、図示されていない駆動装置（本実施例では、車両用エンジン）によって駆動されており、圧縮機１で所定圧力（本実施例では、１．６ＭＰａ）まで圧縮された気体冷媒は、放熱手段をなす凝縮器２に流れ込む。この凝縮器２で凝縮熱を奪って凝縮（液化）した冷媒は、液体冷媒の減圧器をなす第１膨張弁（第１減圧器）３に流れ、中間圧（本実施例では、０．８ＭＰａ）まで減圧され、気液２相の湿り冷媒となる。その後、湿り冷媒は、液体冷媒と気体冷媒との分離器をなす気液分離器４で分離され、気体冷媒（中間圧）は、圧縮機１の吸入行程中の空間内に図示されていない管を通過してインジェクションされる。
【００１７】
また、液体冷媒は、第２膨張弁（第２減圧器）５に流れ、さらに、減圧（本実施例では、０．３ＭＰａ）されて、低温低圧の霧状（液体）冷媒にされる。そして、この霧状冷媒は、冷却手段をなす蒸発器６に流れ、気化熱を奪って気化して冷却を行う。そして、この気体冷媒は、圧縮機１によって、前述の吸入行程中の空間内にインジェクションされた気体冷媒と共に圧縮されて、再び凝縮器２に流れ込み、１サイクルが終了する。
【００１８】
次に、圧縮機１の構造について、図２、３を用いて述べる。
図２に示す圧縮機１は、渦巻き状の可動スクロールと固定スクロールとからなる周知のスクロール型圧縮機（以下、単に圧縮機と呼ぶ。）である。
１０は、圧縮機１のハウジングで、このハウジング１０のほぼ中心部に、クランク軸１１を回転可能に支持するため軸受１２が配置されている。このクランク軸１１の軸方向端部には、その軸中心から偏心した位置にクランク機構を形成するクランクピン１３が形成されている。
【００１９】
また、クランクピン１３側のハウジング１０端部には、渦巻き状のスクロール１４ａを有する可動スクロール１４が配置されている。そして、可動スクロール１４の中心部には、軸受１５が圧入され、この軸受１５を介して可動スクロール１４はクランクピン１３に圧入されている。１６は、スクロール１６ａを有する固定スクロールで、固定スクロール１６は、図示されていないボルトによって、ハウジング１０に組付けられている。
【００２０】
また、図３に示すように、ハウジング１０の側面１０ａには、蒸発器６で気化した低圧冷媒が吸入される吸入ポート１７が設けられ、この吸入ポート１７は、可動スクロール１４と固定スクロール１６とで形成される空間２４に、常に連通している。そして、側面１０ａの中心部には、気液分離器４で分離された中間圧の気体冷媒を、吸入行程中の空間内にインジェクションするための中間圧吸入ポート１８が設けられている。また、固定スクロール１６の中心部には、可動スクロール１４の公転によって圧縮された冷媒を、吐出する開口部１９が開口しており、この開口部１９は、固定スクロール１６に設けられた圧縮機１から冷媒を吐出する吐出ポート２０に連通している。
【００２１】
また、ハウジング１０には、図２に示すように、スクロール１４ａの終端部１４ｃ（図３参照）に相当する部位から中間圧吸入ポート１８まで連通するハウジングポート１８ａが設けられている。そして、スクロール１４ａの終端部１４ｃの端板部１４ｂには、端板部１４ｂを貫通するスクロールポート１８ｂが設けられている。なお、両ポートの配置位置については、以下の作動の説明の中で述べる。
【００２２】
因みに、両ポートの断面形状は、図３に示すように、断面積を大きくして吸入抵抗を小さくするために、略長円状に形成されている。また、可動スクロール１４が公転した際に、固定スクロール１６との接触点を生じて中間圧冷媒がインジェクションされる空間が形成されるように、スクロール１４ａの終端部１４ｃと、その近傍の固定スクロールとは、略円弧状に形成されている。
【００２３】
次に、圧縮機１の作動について述べる。
圧縮機１の作動の特徴は、可動スクロール１４と固定スクロール１６とによって形成される空間（以下、単に空間と呼ぶ。）のうち、吸入行程初期の空間内に中間圧冷媒をインジェクションすることである。
そこで、以下に、可動スクロール１４の終端部１４ｃで形成された空間の時系列的変化を基に、図４〜９を用いて上述の特徴を説明する。
【００２４】
１．空間形成開始（図４、９参照）
スクロール１４ａの終端部１４ｃの一部と固定スクロール１６の一部とが、図４に示すように接触し、第１接触点２１を形成する。このとき、ハウジングポート１８ａ（図９の実線の位置）とスクロールポート１８ｂ（図９の２点鎖線Ａの状態）とは、まだ、オーバラップしていなく、また実質的に吸入行程中の空間が生じていない（容積ゼロ）ので、中間圧冷媒をインジェクションすることができない。
【００２５】
２．中間圧冷媒のインジェクション開始（図５、９参照）
上述の空間形成開始から、可動スクロール１４の公転が進み、図５に示すように、接触点２１に加え、新たに接触点２２が形成される。そして、接触点２１、２２と両スクロールとによって吸入行程中の空間２３が形成される。また、このときハウジングポート１８ａとスクロールポート１８ｂ（図９の２点鎖線Ｂの状態）とのオーバラップが開始するように、両ポートが配置されているので、空間２３内への中間圧冷媒のインジェクション開始する。
【００２６】
３．中間圧冷媒のインジェクション終了（図６、９参照）
そして、可動スクロール１４の公転が進み、接触点２１は、固定スクロール１６の壁面に沿いながら、その外方に移動し、接触点２２は、固定スクロールに沿いながらその中心に向かって移動する。これにともなって、空間２３の容積が膨張し、空間２３内にインジェクションされた中間圧冷媒の圧力が低下してゆく。そして、さらに可動スクロール１４の公転が進み、空間２３が所定の容積と等しくなったとき、ハウジングポート１８ａとスクロールポート１８ｂ（図９の２点鎖線Ｃの状態）とのオーバラップが終了するように、両ポートが配置されているので、中間圧冷媒のインジェクションが終了する。
【００２７】
４．中間圧冷媒の膨張（図１０参照）
この後、可動スクロール１４の公転がさらに進み、接触点２１、２２は、それぞれ移動する。そして、ハウジングポート１８ａ、スクロールポート１８ｂの連通状態が、すでに絶たれているので、空間２３は、冷媒の出入のない状態で、その容積を増して行く。この過程で、すでに空間２３内にインジェクションされた冷媒は、空間２３内で膨張し、徐々にその圧力を下げて、低圧冷媒の圧力に近づいて行く。
【００２８】
５．低圧冷媒の吸入開始（図７、９参照）
そして、可動スクロール１４の公転がさらに進み、接触点２１は、遂に固定スクロール１６の壁面から離れ、空間２３は、可動スクロール１４の外側空間２４と連通する。すでに、空間２３内圧力は、低圧冷媒と等しい圧力まで低下しているので、外側空間２４に満たされている低圧冷媒は、空間２３内に吸入され始める。因みに、スクロールポート１８ｂの状態は、図９の２点鎖線Ｄに示すように、オーバラップしていない状態である。
【００２９】
６．低圧冷媒の吸入終了（図８、９参照）
そして、可動スクロール１４の公転がさらに進み、空間２３の膨張が終了し、これとともに低圧冷媒の吸入行程が終了する。因みに、スクロールポート１８ｂの状態は、図９の２点鎖線Ｅに示すように、オーバラップしていない状態である。
【００３０】
以後、空間２３は、圧縮行程に移行する。なお、空間２３の圧縮行程は、周知のスクロール型圧縮機と同様である。（図４〜８の空間２３ａは、圧縮行程に移行後の空間２３を示している。）
次に、本実施例の特徴を述べる。
吸入行程中の空間２３に中間圧冷媒をインジェクションすることによって１台の圧縮機１で、２段膨張冷凍サイクルを実施することができるので、２台の圧縮機を用いて実施する２段膨張冷凍サイクルに比べて、安価に２段膨張冷凍サイクルを実施することができる。したがって、安価に冷凍サイクルの効率の向上を図ることができる。
【００３１】
また、低圧媒体と高圧冷媒との中間圧力を有する中間圧冷媒を、中間圧吸入ポート１８から吸入行程中の空間内に、インジェクションするので、中間圧力冷媒が有する圧力（膨張しようとする力）は、吸入行程中の空間２３を膨張させる力となる。しがって、中間圧力冷媒が有する圧力を、吸入行程中の空間２３を膨張させる（内部エネルギーが機械的エネルギーに変換される）ので、圧縮行程中の空間に、中間圧冷媒をインジェクションする２段膨張サイクル（圧縮に必要な力が増加する）に比べて、圧縮機１の省動力化を図ることができる。延いては、冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。
【００３２】
また、中間圧冷媒がインジェクションされた吸入行程中の空間２３内の圧力が、低圧冷媒と等しくなったとき、低圧冷媒が吸入行程中の空間２３内に吸入され始めるので、空間２３内の圧力が低圧冷媒の圧力と等しくなるまで中間圧冷媒を膨張させることができる。したがって、中間圧力冷媒が有する圧力（内部エネルギー）を、低圧冷媒を逆流させるような不必要な力とならず、有効に吸入行程中の空間２３を膨張させる機械的エネルギーに変換することができる。延いては、より圧縮機１の省動力化を図ることができる。
【００３３】
また、低圧冷媒が逆流しないので、逆止弁等の逆流防止機構を設けなくてもよい。したがって、より安価に２段膨張冷凍サイクルを実施することができる。
また、ハウジング１０に設けられて動かないハウジングポート１８ａと、固定スクロール１６に設けられて公転するスクロールポート１８ｂとのオーバラップ状態を利用して、中間圧吸入ポート１８から吸入行程中の空間２３への連通状態を制御するこができるので、新たに、制御弁等の制御手段を設けなくても、中間圧冷媒のインジェクションを制御することができる。したがって、より一層安価に２段膨張冷凍サイクルを実施することができる。
【００３４】
本発明に係る圧縮機は、スクロール型圧縮機に限られるものではなく、ベーン型、斜板型、ロータ型等の圧縮機にも適用可能である。
また、中間圧冷媒をインジェクションするタイミングは、吸入行程の初期行程に限られるものではなく、圧縮行程前であれば、どのタイミングでもよい。
また、中間冷媒の圧力は、高圧冷媒と低圧冷媒との中間（平均）である必要はなく、両圧力の間にあればよい。
【００３５】
また、ハウジングポート１８ａおよびスクロールポート１８ｂの断面形状は、略長円状に限られるものではなく、円形で、多角形状等のその他の形状でもよい。
さらに、圧縮機を駆動する駆動装置は、車両用エンジンに限られるものではなく、モータのような電動機を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２段膨張冷凍サイクルを示す模式図である。
【図２】圧縮機１の断面図（図３のＢ−Ｂ）である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図３において、空間２３形成開始を示す断面図である。
【図５】図３において、中間圧冷媒インジェクション開始を示す断面図である。
【図６】図３において、中間圧冷媒インジェクション終了を示す断面図である。
【図７】図３において、低圧冷媒の吸入開始を示す断面図である。
【図８】図３において、低圧冷媒の吸入終了を示す断面図である。
【図９】ハウジングポート１８ａとスクロールポート１８ｂとの相対位置を示す拡大図である。
【図１０】図３において、中間圧冷媒インジェクション終了後、空間２３内の冷媒の膨張過程を示す断面図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…凝縮器、３…第１膨張弁（第１減圧器）、
４…気液分離器、５…第２膨張弁（第２減圧器）、
１０…ハウジング、１１…クランク軸、１２…軸受、
１３…クランクピン、１４…可動スクロール、１４ａ…スクロール、
１４ｂ…端板部、１５…軸受、１６…固定スクロール、
１６ａ…スクロール、１７…低圧ポート、１８…中間圧吸入ポート、
１８ａ…ハウジングポート、１８ｂ…スクロールポート、１９…吐出ポート。

Claims (4)

1. 低圧媒体を吸入する吸入ポートと、
   前記吸入ポートから吸入された前記低圧媒体を圧縮する圧縮機構と、
   前記圧縮機構で圧縮された高圧媒体を吐出する吐出ポートとを有する圧縮機において、
   前記低圧媒体と前記高圧媒体との中間圧力を有する中間圧媒体を、前記圧縮機構の吸入行程中の空間内にインジェクションする中間圧吸入ポートを有しており、
   前記中間圧媒体がインジェクションされた前記吸入行程中の空間内の圧力が前記低圧媒体の圧力と等しくなるまで前記中間圧媒体を膨張させ、
   かつ、前記吸入行程中の空間内の圧力が、前記低圧媒体と等しくなったとき、前記低圧媒体が前記吸入行程中の空間内に吸入され始めるように構成されていることを特徴とする圧縮機。
2. 渦巻き状のスクロールおよびそのスクロールと一体形成された端板部からなる可動スクロールと、
   渦巻き状のスクロールを有する固定スクロールと、
   低圧媒体を吸入する吸入ポートと、
   前記可動スクロールの公転によって圧縮された高圧媒体を吐出する吐出ポートとを具備するスクロール型圧縮機において、
   前記低圧媒体と前記高圧媒体との中間圧力を有する中間圧媒体を、前記可動スクロールと固定スクロールとによって形成される吸入行程中の空間内にインジェクションする中間圧吸入ポートを有しており、
   前記中間圧媒体がインジェクションされた前記吸入行程中の空間内の圧力が前記低圧媒体の圧力と等しくなるまで前記中間圧媒体を膨張させ、
   かつ、前記吸入行程中の空間内の圧力が、前記低圧媒体と等しくなったとき、前記低圧媒体が前記吸入行程中の空間内に吸入され始めるように構成されていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
3. 請求項２に記載のスクロール型圧縮機において、
   前記固定スクロールと結合して、閉じた空間を形成するハウジングと、
   前記可動スクロールのスクロール終端部の所定部位に設けられ、前記端板部を貫通するスクロールポートと、
   前記ハウジングの所定部位に設けられ、前記中間圧吸入ポートと連通するハウジングポートとを具備し、
   前記可動スクロールは、前記固定スクロールと前記ハウジングとによって形成される閉じた空間内に公転可能に配置されており、
   前記可動スクロールの公転途中において、前記スクロールポートと前記ハウジングポートとが、互いにオーバラップするように構成されており、
   前記両ポートが互いにオーバラップしたとき、前記吸入行程中の空間内と、前記中間圧吸入ポートとが連通するように構成されていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧縮機と、
   前記圧縮機の吐出ポートから吐出した圧縮冷媒の放熱手段をなす凝縮器と、
   前記凝縮器で凝縮した冷媒を減圧する第１減圧器と、
   前記第１減圧器を通過した冷媒を、液体冷媒と気体冷媒とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器を通過した液体冷媒を減圧する第２減圧器と、
   前記第２減圧器で減圧された低温低圧冷媒によって冷却を行う蒸発器と、
   前記気液分離器で分離された気体冷媒を、前記圧縮機の中間圧吸入ポートに導く管と、
   前記蒸発器で気化した気体冷媒を、前記圧縮機の吸入ポートに導く管とを具備することを特徴とする二段膨張冷凍サイクル。

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