JP4254126B2 - Ejector for vapor compression refrigeration cycle - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクル用のエジェクタに関するものである。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、電気式のアクチュエータを用いた場合に比べて、安価に高圧側冷媒圧力を制御することを目的とする。
【0005】
【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に、請求項1に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する高圧側熱交換器(20)、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器(30)を有して低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されるエジェクタであって、高圧側熱交換器(20)から流出した高圧の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル(41)と、ノズル(41)から噴射する冷媒と蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部(42、43)と、ノズル(41)の軸線方向に変位し、ノズル(41)の絞り開度を調節するニードル弁(46)と、高圧側熱交換器(20)から流出してノズル(41)に流入する高圧の冷媒が充満する駆動室(47a)と、駆動室(47a)に隣接配置され、不活性ガスが封入された作動室(47b)と、駆動室(47a)と作動室(47b)とを仕切るとともに、駆動室(47a)内の圧力と作動室(47b)内の圧力との圧力差に応じて変位してニードル弁(46)を変位させる仕切部材(47g)と、駆動室(47a)及び作動室(47b)の外殻を形成するハウジング(47e)とを備え、仕切部材は、シール手段(47h)を介してハウジング(47e)の内面に摺動可能に配置されたピストン(47g)であることを特徴とする。
【0006】
これにより、電気式のアクチュエータを用いた場合に比べて、安価に高圧側冷媒圧力を略一定となるように制御することができる。
【0009】
請求項2に記載の発明では、仕切部材(47g)は、駆動室(47a)内の圧力が作動室(47b)内の圧力より大きくなるとノズル(41)の絞り開度が大きくなるようにニードル弁(46)を変位させ、駆動室(47a)内の圧力が作動室(47b)内の圧力より小さくなるとノズル(41)の絞り開度が小さくなるようにニードル弁(46)を変位させるように構成されていることを特徴とする。
【0010】
また、請求項3に記載の発明のごとく、圧縮機(10)は冷媒を冷媒の臨界圧力以上まで圧縮してもよい。
【0011】
また、請求項4に記載の発明のごとく、冷媒として二酸化炭素を用いてもよい。
【0017】
また、請求項5に記載の発明のごとく、仕切部材(47g)を駆動室(47a)側に変位させる弾性力を仕切部材(47g)に作用させる弾性手段(47j)を備えてもよい。
【0020】
因みに、上記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一例である。
【0021】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
本実施形態は、ヒートポンプユニット1として、エジェクタ方式の減圧装置を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いたもので、図1は本実施形態に係る給湯器の模式図である。
【0022】
圧縮機10は冷媒を吸入圧縮するものであり、水冷媒熱交換器20は圧縮機10から吐出した冷媒と給湯水とを対向流れ状態で熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【0023】
なお、圧縮機10は電動モータ(図示せず。)により駆動されており、水冷媒熱交換器20の加熱能力を大きくするときには、圧縮機10の回転数を増大させて圧縮機10から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには、圧縮機10の回転数を低下させて圧縮機10から吐出する冷媒の流量を減少させる。
【0024】
因みに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているので、水冷媒熱交換器20内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、水冷媒熱交換器20内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有する。
【0025】
蒸発器30は室外空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷媒を蒸発させて室外空気から吸熱する低圧側熱交換器であり、エジェクタ40は冷媒を減圧膨張させて蒸発器30にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機10の吸入圧を上昇させるものである。なお、エジェクタ40の詳細は、後述する。
【0026】
また、気液分離器50はエジェクタ40から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器50の気相冷媒流出口は圧縮機10の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器30側の流入側に接続される。
【0027】
なお、図2はエジェクタサイクルの全体のマクロ的作動を示すp−h線図であり、そのマクロ的作動は周知のエジェクタサイクルと同じであるので、本実施形態では、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動の説明は省略する。因みに、図2の●で示される符号は、図1に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を示すものである。
【0028】
次に、図3に基づいてエジェクタ40の構造について述べる。
【0029】
エジェクタ40は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル41、ノズル41から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器30にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル41から噴射する冷媒流とを混合する混合部42、及びノズル41から噴射する冷媒と蒸発器30から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ43等からなるものである。
【0030】
なお、混合部42においては、ノズル41から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器30からエジェクタ40に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部42においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ43においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ40においては、混合部42及びディフューザ43の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部42とディフューザ43とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【0031】
つまり、理想的なエジェクタ40においては、混合部42で2種類の冷媒流の運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ43でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大することがのぞましい。
【0032】
因みに、ノズル41の周りには、ボディ44により形成された吸引室45が形成されており、蒸発器30から吸引された気相冷媒は、吸引室45を経由して混合部42に流れる。
【0033】
また、ノズル41は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有する末広型のノズルであり、ノズル41の絞り開度、すなわち喉部の開度は、高圧側の冷媒圧力が略一定となるように、ニードル弁46にて制御される。なお、ニードル弁46は先端側が尖った円錐テーパ状のもので、ノズル41内において機械式のアクチュエータ47により軸線方向に変位させる。
【0034】
ここで、機械式のアクチュエータ47は、ノズル41に流入する高圧冷媒が充満する駆動室47aと不活性ガスが封入された作動室47bとを仕切るとともに、駆動室47a内の圧力と作動室47b内の圧力との圧力差に応じて変位してニードル弁46を変位させる仕切部材としてのダイヤフラム47c、ダイヤフラム47cの駆動室47a側に配置されてダイヤフラム47cの最大変位を規制するストッパ47d等、並びに駆動室47a及び作動室47bの外殻を形成するステンレス製のハウジング47e等からなるものである。
【0035】
因みに、本実施形態では、不活性ガスとして窒素ガスを用いているが、ヘリウムガスやアルゴンガス等の不活性ガスを用いてもよい。また、本実施形態では、ダイヤフラム47c及びニードル弁46をステンレス製として両者をろう付け接合しているが、本実施形態はこれに限定されるものでない。
【0036】
次に、ニードル弁46の作動を中心に本実施形態に係るエジェクタ40の作動を説明する。
【0037】
駆動室47aと作動室47bとはダイヤフラム47cを挟んで仕切られ、かつ、ニードル弁46はダイヤフラム47cと一体的に変位するように構成されている。このとき、駆動室47a内の圧力は、ノズル41の絞り開度が大きくなる向きにニードル弁46が変位するような力をダイヤフラム47cに対して作用させ、一方、作動室47b内の圧力は、ノズル41の絞り開度が小さくなる向きにニードル弁46が変位するような力をダイヤフラム47cに対して作用させる。
【0038】
そして、駆動室47a内の圧力が上昇して作動室47b内の圧力より大きくなると、図3に示すように、ノズル41の絞り開度が大きくなるようにダイヤフラム47c及びニードル弁46が変位するため、駆動室47a内の圧力、すなわち高圧側の冷媒圧力上昇が抑制され、その圧力は、作動室47b内の圧力と同等となる。
【0039】
逆に、駆動室47a内の圧力が低下して作動室47b内の圧力より小さくなると、図4に示すように、ノズル41の絞り開度が小さくなるようにダイヤフラム47c及びニードル弁46が変位するため、駆動室47a内の圧力、すなわち高圧側の冷媒圧力低下が抑制され、その圧力は、作動室47b内の圧力と同等となる。
【0040】
したがって、ノズル41の絞り開度は、高圧側の冷媒圧力と作動室47b内の圧力と略同一となるように機械的に制御されることとなる。
【0041】
このとき、作動室47b内には、不活性ガスが封入されており、封入されたガスが凝縮しないことに加えて、ダイヤフラム47cの変位量、及び駆動室47aに流入する冷媒の温度変化に対する封入ガスの圧力変化量は微少であるため、作動室47b内の圧力は、実用範囲内においては、略一定となる。したがって、機械式のアクチュエータ47は、高圧側の冷媒圧力が、略一定となるようにノズル41の絞り開度を調節することとなる。
【0042】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【0043】
「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、気温の高い夏場には、圧縮機10に流入する冷媒の温度が上昇して圧縮機10に吸入される冷媒のエントロピが小さくなるので、図2に示すように、気温の低い冬場と同等の給湯温度を得るためには、高圧側冷媒圧力、すなわち、圧縮機10の吐出圧を冬場より高くする必要がある。
【0044】
一方、給湯器に求められる給湯要求、すなわち給湯温度及び給湯水量は、年間を通して一定ではなく、気温の高い夏場における給湯要求は、気温の低い冬場における給湯要求に比べて小さい。
【0045】
したがって、本実施形態のごとく、年間を通して高圧側冷媒圧力が略一定となるようにヒートポンプユニット1を制御すれば、気温の高い夏場には給湯温度が気温の低い冬場に比べて低下するものの、実用上問題はなく、むしろ、気温の高い夏場に合わせて水冷媒熱交換器20や圧縮機10等の高圧側機器の耐圧性を必要以上に高める必要がないので、給湯器の製造原価低減を図りつつ、給湯器の耐圧信頼性を高めることができる。
【0046】
また、本実施形態では、作動室47b内に不活性ガスを封入した簡便な構造のアクチュエータ47によりノズル41の絞り開度を制御するので、電気式のアクチュエータを用いた場合に比べて、安価に高圧側冷媒圧力を制御することができる。
【0047】
(第2実施形態)
第1実施形態では、仕切部材を薄膜状のダイヤフラム47cにて構成したが、本実施形態は、図5に示すように、仕切部材を蛇腹状のベローズ47fにて構成したものである。なお、本実施形態では、ベローズ47fの内部が作動室47bとなる。
【0048】
これにより、第1実施形態に比べてニードル弁46の変位量、すなわちストロークを大きく設定することが可能となる。
【0049】
(第3実施形態)
本実施形態は、図6に示すように、仕切部材をOリング等のシール手段47hを介して摺動可能に配置されたピストン47gにて構成したものである。
【0050】
これにより、第1実施形態に比べてニードル弁46の変位量、すなわちストロークを大きく設定することが可能となる。
【0051】
(第4実施形態)
本実施形態は、図7に示すように、不活性ガスに加えて、仕切部材(この例では、ピストン47g)を駆動室47a側に押圧する弾性力を仕切部材に作用させる弾性手段としてのコイルバネ47jを作動室47b内に設けたものである。
【0052】
なお、図7は第3実施形態に本実施形態を適用したものであるが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、第1又は第2実施形態に対して本実施形態を適用することができる。
【0053】
また、弾性手段としてのコイルバネ47jの配置場所は、作動室47b内に限定されるものではなく、作動室47b外、例えば第2実施形態では、ベローズ47fの外側や駆動室47a側に配置してもよい。
【0054】
(第5実施形態)
本実施形態は、蒸発器30の除霜運転をすることができるようにしたものである。
【0055】
具体的には、図8に示すように、エジェクタ40にて減圧される前の高温・高圧冷媒を蒸発器30の冷媒入口側(気液分離器50側)に導く除霜回路60を開閉する電磁式の開閉弁61を設けるととともに、除霜回路60にて導かれた高温・高圧冷媒が気液分離器50に流れ込むことを防止する逆止弁62を設けたものである。なお、エジェクタ40は、第1〜4実施形態のいずれのものであってもよい。
【0056】
次に、本実施形態の特徴的作動及びその効果を述べる。
【0057】
1.通常運転(給湯水を加熱する運転)
開閉弁61を閉じて圧縮機10を稼動させる。これにより、第1〜4実施形態で述べたように、高圧側の冷媒圧力が略一定となるように制御された状態でヒートポンプユニット1が運転される。
【0058】
2.除霜運転
開閉弁61を開いた状態で圧縮機10を稼動させる。これにより、高圧側の冷媒圧力が低下するので、駆動室47a内の圧力が低下し、図4に示すように、ノズル41の絞り開度が小さくなり、最終的にはノズル41は全閉状態となる。
【0059】
このため、圧縮機10から吐出された高温の冷媒全量が除霜回路60を経由して蒸発器30に流入し、蒸発器30を加熱して蒸発器30の表面に付着した霜を融解させる。
【0060】
そして、蒸発器30を流出した冷媒は、混合部42及びディフューザ43を経由して気液分離器50に流入し、再び、圧縮機10にて加圧される。
【0061】
以上に述べたように、本実施形態では、除霜回路60及び開閉弁61を追加するといった簡単な手段にて除霜運転を行うことができ、給湯器の製造原価上昇を抑制できる。
【0062】
なお、図8では、水冷媒熱交換器20の出口側から除霜回路60に高温の冷媒を導入したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、水冷媒熱交換器20の入口側又は水冷媒熱交換器20の途中から除霜回路60に高温の冷媒を導入してもよい。
【0063】
(その他の実施形態)
上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いたが本発明はこれに限定されるものではなく、例えばフロンを用いてもよい。なお、冷媒をフロンとした場合には、水冷媒熱交換器20内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以下であり、水冷媒熱交換器20にて冷媒が凝縮する。
【0064】
また、上述の実施形態では、アクチュエータ47及びエジェクタ40をステンレスで形成したが、耐食性及び必要な強度を備える材質であれば、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図2】エジェクタサイクルのp−h線図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図6】本発明の第3実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図7】本発明の第4実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図8】本発明の第5実施形態に係る給湯器の模式図である。
【符号の説明】
40…エジェクタ、41…ノズル、42…混合部、43…ディフューザ、
44…ボディ、45…吸引室、46…ニードル弁、
47…アクチュエータ、47a…駆動室、47b…作動室、
47c…ダイヤフラム、47d…ストッパ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ejector for vapor compression refrigeration cycle.
[0002]
[Challenges inventions to be Solved]
[0004]
An object of the present invention is to control the high-pressure-side refrigerant pressure at a lower cost than when an electric actuator is used .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, in the invention described in
[0006]
As a result, the high-pressure side refrigerant pressure can be controlled to be substantially constant at a lower cost than when an electric actuator is used.
[0009]
In the invention described in
[0010]
Further, as in the third aspect of the invention, the compressor (10) may compress the refrigerant to a critical pressure or higher.
[0011]
Further, as in the invention described in
[0017]
Also, as in the invention described in
[0020]
Incidentally, the reference numerals in parentheses of each means described above are an example showing the correspondence with the specific means described in the embodiments described later.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
In the present embodiment, a vapor compression refrigeration cycle having an ejector-type decompression device is used as the
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
Incidentally, in the present embodiment, since carbon dioxide is used as the refrigerant, the refrigerant pressure in the water
[0025]
The
[0026]
The gas-
[0027]
FIG. 2 is a ph diagram showing the entire macro operation of the ejector cycle. Since the macro operation is the same as the known ejector cycle, in this embodiment, the macro operation of the entire ejector cycle is performed. Description of is omitted. Incidentally, the symbol indicated by ● in FIG. 2 indicates the state of the refrigerant at the symbol position indicated by ● in FIG.
[0028]
Next, the structure of the
[0029]
The
[0030]
In the
[0031]
That is, in the
[0032]
Incidentally, a
[0033]
The
[0034]
Here, the
[0035]
Incidentally, although nitrogen gas is used as the inert gas in the present embodiment, an inert gas such as helium gas or argon gas may be used. Moreover, in this embodiment, the
[0036]
Next, the operation of the
[0037]
The
[0038]
When the pressure in the
[0039]
On the contrary, when the pressure in the
[0040]
Therefore, the throttle opening degree of the
[0041]
At this time, an inert gas is sealed in the working
[0042]
Next, the function and effect of this embodiment will be described.
[0043]
As described in the section “Problems to be Solved by the Invention”, in summer when the temperature is high, the temperature of the refrigerant flowing into the
[0044]
On the other hand, the hot water supply requirement required for the water heater, that is, the hot water supply temperature and the amount of hot water supply is not constant throughout the year, and the hot water supply requirement in summer when the temperature is high is smaller than the hot water requirement in winter when the temperature is low.
[0045]
Therefore, as in the present embodiment, by controlling the
[0046]
Further, in this embodiment, the throttle opening degree of the
[0047]
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the partition member is configured by a
[0048]
Thereby, it becomes possible to set the displacement amount of the
[0049]
(Third embodiment)
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the partition member is configured by a
[0050]
Thereby, it becomes possible to set the displacement amount of the
[0051]
(Fourth embodiment)
In this embodiment, as shown in FIG. 7, in addition to the inert gas, a coil spring as an elastic means that acts on the partition member with an elastic force that presses the partition member (in this example, the
[0052]
FIG. 7 shows the case where the present embodiment is applied to the third embodiment. However, the present embodiment is not limited to this, and the present embodiment is applied to the first or second embodiment. can do.
[0053]
Further, the arrangement location of the
[0054]
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, the
[0055]
Specifically, as shown in FIG. 8, the
[0056]
Next, the characteristic operation of this embodiment and its effect will be described.
[0057]
1. Normal operation (operation to heat hot water)
The on-off
[0058]
2. The
[0059]
For this reason, the entire amount of the high-temperature refrigerant discharged from the
[0060]
Then, the refrigerant that has flowed out of the
[0061]
As described above, in the present embodiment, the defrosting operation can be performed by simple means such as adding the
[0062]
In FIG. 8, the high-temperature refrigerant is introduced into the
[0063]
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, carbon dioxide is used as the refrigerant. However, the present invention is not limited to this, and for example, chlorofluorocarbon may be used. When the refrigerant is chlorofluorocarbon, the refrigerant pressure in the water
[0064]
In the above embodiment, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a water heater according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a ph diagram of an ejector cycle.
FIG. 3 is a schematic diagram of an ejector according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram of an ejector according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram of an ejector according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram of an ejector according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram of an ejector according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view of a water heater according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
40 ... ejector, 41 ... nozzle, 42 ... mixing section, 43 ... diffuser,
44 ... Body, 45 ... Suction chamber, 46 ... Needle valve,
47 ... Actuator, 47a ... Drive chamber, 47b ... Working chamber,
47c: Diaphragm, 47d: Stopper.
Claims (5)
前記高圧側熱交換器(20)から流出した高圧の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル(41)と、
前記ノズル(41)から噴射する冷媒と前記蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部(42、43)と、
前記ノズル(41)の軸線方向に変位し、前記ノズル(41)の絞り開度を調節するニードル弁(46)と、
前記高圧側熱交換器(20)から流出して前記ノズル(41)に流入する高圧の冷媒が充満する駆動室(47a)と、
前記駆動室(47a)に隣接配置され、不活性ガスが封入された作動室(47b)と、 前記駆動室(47a)と前記作動室(47b)とを仕切るとともに、前記駆動室(47a)内の圧力と前記作動室(47b)内の圧力との圧力差に応じて変位して前記ニードル弁(46)を変位させる仕切部材(47g)と、
前記駆動室(47a)及び前記作動室(47b)の外殻を形成するハウジング(47e)とを備え、
前記仕切部材は、シール手段(47h)を介して前記ハウジング(47e)の内面に摺動可能に配置されたピストン(47g)であることを特徴とするエジェクタ。A high-pressure side heat exchanger (20) that cools the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed by the compressor (10), and an evaporator (30) that evaporates the decompressed low-temperature and low-pressure refrigerant, An ejector applied to a vapor compression refrigeration cycle for transferring heat to a high temperature side,
A nozzle (41) for converting the pressure energy of the high-pressure refrigerant flowing out of the high-pressure side heat exchanger (20) into velocity energy to decompress and expand the refrigerant;
A pressure increasing section (42, 43) for increasing the pressure of the refrigerant by converting the velocity energy into pressure energy while mixing the refrigerant injected from the nozzle (41) and the refrigerant sucked from the evaporator (30);
A needle valve (46) that is displaced in the axial direction of the nozzle (41) and adjusts a throttle opening of the nozzle (41);
A drive chamber (47a) filled with high-pressure refrigerant flowing out of the high-pressure side heat exchanger (20) and flowing into the nozzle (41);
The working chamber (47b) disposed adjacent to the driving chamber (47a) and filled with an inert gas is partitioned from the driving chamber (47a) and the working chamber (47b), and the driving chamber (47a) of pressure and the working chamber and the partition displaces the needle valve is displaced according to the pressure difference (46) between the pressure in (47b) members (4 7 g),
A housing (47e) forming an outer shell of the drive chamber (47a) and the working chamber (47b);
The ejector according to claim 1, wherein the partition member is a piston (47g) slidably disposed on an inner surface of the housing (47e) via a sealing means (47h) .
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