JP7089769B2 - 膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は、膨張弁に関する。

従来、自動車に搭載される空調装置等に用いる冷凍サイクルシステムにおいては、設置スペースや配管を省略するために、冷媒の通過量を温度に応じて調整する感温式の膨張弁が使用されている。

一般的な膨張弁において、弁室内に配設される球状の弁体は、弁室に開口した弁座に対向し配置される。弁体は、弁室内に配置された弁体サポートに支持され、弁本体に取り付けられたばね受け部材と弁体サポートとの間に設置されたコイルバネにより弁座方向へ付勢される。そして、弁体は、パワーエレメントにより駆動される作動棒により押されて、弁座から離間して冷媒の通過を可能にする。弁座と弁体の間の絞り流路を通った冷媒は、出口ポートから蒸発器側へ送られる。

ところで、冷凍サイクルシステムの起動当初には、弁座と弁体の間の絞り流路を通過する冷媒の液密度が低く、流動抵抗が小さくなるほど冷媒の流速が大きくなる。このため起動当初には弁部における摩擦音が大きくなりがちであり、その対策として冷媒の流量制限が必要になる。一方、冷凍サイクルの起動時から時間が経過した安定期では、冷凍サイクルの起動時に比べて液密度が高くなっているから摩擦音は小さくなる。そのため安定期では過度な流量制限の必要がなく、むしろ十分な冷媒流量を確保したいという相反する要求がある。

これに対し特許文献１には、冷凍サイクルシステムの起動時における冷媒の摩擦音の低減と、絞り流路を通過する冷媒の必要流量を確保とをバランスよく両立するように、弁室への冷媒入り口と、弁体サポートと弁室との隙間を規定した膨張弁が開示されている。

特許第５３６９２５９号公報

一方、膨張弁においては、冷媒の摩擦音以外の騒音も生じうる。例えば特許文献１に開示された膨張弁では、冷媒内の気泡がつぶれないまま弁座まで到達し、該弁座を冷媒が通過する際に気泡が一斉に破裂することにより騒音として把握されることがある。

そこで本発明は、簡素な構成を有しながらも、騒音を減少可能な、改良された膨張弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による膨張弁は、
弁室と弁座を備えた弁本体と、
前記弁座に着座することにより流体の通過を阻止し、前記弁座から離間することにより前記流体の通過を許容する弁体と、
前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
前記コイルばねによる付勢力に抗して、前記弁体を前記弁座から離間する方向に押圧する作動棒と、を有し、
前記弁室は、前記弁座につながる筒状の内壁を有し、
前記弁体は、前記弁座に着座する当接部と、前記内壁に対向する筒状の胴部とを有し、
前記弁体の軸線直交方向に断面をとったとき、前記内壁の内周の形状と、前記胴部の外周の形状とを異ならせることにより、前記内壁と前記胴部との間に前記流体が通過する空間が形成され、前記内壁の内周と前記胴部の外周とが部分的に摺動可能に接触しており、
前記弁室における部位であって前記胴部と対向する前記内壁に対して前記弁座とは反対側の部位に、流体を前記弁室に導入する接続路が形成され、
前記流体は、前記内壁と前記胴部との間に形成された前記空間を通過し、前記空間を通過する間に当該流体の気泡がつぶされ、
前記流体は、前記内壁と前記胴部との間に形成された前記空間を通過した後に前記弁座を通過する、ことを特徴とする。

本発明により、簡素な構成を有しながらも、騒音を減少可能な、改良された膨張弁を提供することができる。

図１は、第１実施形態における膨張弁を、冷媒サイクルシステムに適用した例を模式的に示す概略断面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線における断面を上面視した図である。 図３は、本実施形態の弁体の斜視図である。 図４は、第２実施形態の膨張弁の弁体付近を拡大して示す断面図である。 図５は、図４のＢ－Ｂ線における断面を上面視した図である。 図６は、本実施形態の弁体の斜視図である。 図７は、第３実施形態の膨張弁の弁体付近を拡大して示す断面図である。 図８は、図７のＣ－Ｃ線における断面を上面視した図である。 図９は、本実施形態の弁体の斜視図である。 図１０は、変形例の胴部の断面図である。

（定義）
本明細書において、弁体３から作動棒５に向かう方向を「上方向」と定義し、作動棒５から弁体３に向かう方向を「下方向」と定義する。よって、本明細書では、膨張弁１０の姿勢に関わらず、弁体３から作動棒５に向かう方向を「上方向」と呼ぶ。
本明細書で、「多角筒形状」とは、軸線の周囲を４面以上の平面で囲った外周を持つ筒形状をいう。ただし、該平面同士をつなぐつなぎ面を有するときは、該つなぎ面は平面に含まれないものとする。また、「断面における内周の形状と外周の形状とが異なる」とは、該内周の形状と該外周の形状とが同一でもなく相似でもないことをいう。

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態における膨張弁１０の概要について説明する。図１は、本実施形態における膨張弁１０を、冷媒サイクルシステム１００に適用した例を模式的に示す概略断面図である。本実施形態では、膨張弁１０は、コンプレッサ１０１と、コンデンサ１０２と、エバポレータ１０４とに接続されており、これらにより冷媒サイクルシステム１００が構成される。

膨張弁１０は、円筒状の弁室ＶＳを備える弁本体２と、弁体３と、付勢装置４と、作動棒５と、リングばね６とを具備する。

弁本体２は、弁室ＶＳに加え、第１流路２１および第２流路２２を備える。第１流路２１は、例えば供給側流路であり、弁室ＶＳには、供給側流路を介して冷媒（流体ともいう）が供給される。第２流路２２は、例えば排出側流路であり、弁室ＶＳ内の流体は、オリフィス部２７及び第２流路２２を介して膨張弁外に排出される。第１流路２１と弁室ＶＳとの間は、第１流路２１より小径の接続路２１ａにより接続されている。

弁室ＶＳは、円筒形状を有するオリフィス部２７の下縁内周である弁座２０と、弁座２０につながり且つ弁座２０より大径の円筒状の内壁２４とを備える。

図２は、図１のＡ－Ａ線における断面を上面視した図であり、弁体３の軸線直交方向断面を示す。図３は、弁体３の斜視図である。図３において、弁体３は、円錐状の当接部３１と、六角筒状の胴部３２と、円板状の鍔部３３と、円筒状の端部３４とを連設してなる。

当接部３１のテーパ面３１ｂが弁座２０に当接する。また、当接部３１の上面３１ａは、軸線Ｌに対して直交する平面である。胴部３２の外周は、６つの平面３２ａと、隣接する平面３２ａ同士の間に形成されたつなぎ面３２ｂとから形成されている。つなぎ面３２ｂは平面でもよいし曲面でもよいが、その周長は平面３２ａの周長の１／４以下であると好ましい。また、胴部３２の軸線方向長さは、弁室ＶＳの内壁２４の直径（又は胴部３２の対角線最大長）の等倍以上あると好ましい。

弁体３は、弁室ＶＳ内に配置される。図２の断面において、弁室ＶＳの内壁２４の内周形状と、胴部３２の外周形状とは異なっており、また弁室ＶＳと弁体３との偏心に応じて、弁室ＶＳの内壁２４と、つなぎ面３２ｂのいずれかが当接し摺動する。一方、弁室ＶＳと弁体３との偏心によらず、弁室ＶＳの内壁２４と、平面３２ａは当接しない。そのため、内壁２４と平面３２ａとの間の空間を、冷媒が通過することになる。

図１において、弁体３が弁本体２の環状の弁座２０に着座しているとき、第１流路２１と第２流路２２とは非連通状態となる。一方、弁体３が弁座２０から離間しているとき、第１流路２１と第２流路２２とは連通状態となる。ただし、弁体３が弁座２０に着座しているときも、制限された量の冷媒を通過させる場合もある。

弁本体２の作動棒挿通孔２８に挿通され、またオリフィス部２７に隙間を持って挿通された作動棒５の下端は、弁体３の上面３１ａに対して、軸線Ｌに交差する方向に相対変位可能に接触している。また、作動棒５は、付勢装置４による付勢力に抗して弁体３を開弁方向に押圧することができる。作動棒５が下方向に移動するとき、弁体３は、弁座２０から離間し、膨張弁１０が開状態となる。

次に、作動棒５を駆動するパワーエレメント８について説明する。図１において、パワーエレメント８は、弁本体２の頂部に設けられた凹部２ａに取り付けられている。凹部２ａは連通路２ｂを介して、エバポレータ１０４からの冷媒が通過する、弁本体２内の戻り流路２３と連通している。連通路２ｂ内を作動棒５が通過している。凹部２ａの内周に雌ねじが形成されている。

パワーエレメント８は、栓８１と、上蓋部材８２と、ダイアフラム８３と、ストッパ部材８４と、受け部材８６とを有する。

上蓋部材８２は、中央の円錐部８２ａと、円錐部８２ａの下端から外周に広がる環状のフランジ部８２ｂとを有する。円錐部８２ａの頂部には開口８２ｃが形成され、栓８１により封止可能となっている。

ダイアフラム８３は、同心円の凹凸形状を複数個形成した薄い板材からなり、フランジ部８２ｂの外径とほぼ同じ外径を有する。

ストッパ部材８４は、下端中央に嵌合孔８４ａを有する。

受け部材８６は、上蓋部材８２のフランジ部８２ｂの外径とほぼ同じ外径を持つフランジ部８６ａと、軸線Ｌと略直交する環状の支持面８６ｂを持つ段差部８６ｃと、中空円筒部８６ｄとを有している。中空円筒部８６ｄの外周には雄ねじが形成されている。

パワーエレメント８の組み立て手順を説明する。図１に示すような位置関係となるように、上蓋部材８２、ダイアフラム８３、ストッパ部材８４、及び受け部材８６を配置する。

更に、上蓋部材８２のフランジ部８２ｂと、ダイアフラム８３と、受け部材８６のフランジ部８６ａのそれぞれ外周部を重ね合わせた状態で、当該外周部を例えばＴＩＧ溶接やレーザ溶接、プラズマ溶接等により周溶接して一体化する。

続いて、上蓋部材８２に形成された開口８２ｃから、上蓋部材８２とダイアフラム８３とで囲われる空間（圧力作動室ＰＯ）内に作動ガスを封入した後、開口８２ｃを栓８１で封止し、更にプロジェクション溶接等を用いて、栓８１を上蓋部材８２に固定する。

このとき、圧力作動室ＰＯに封入された作動ガスにより、ダイアフラム８３は受け部材８６側に張り出す形で圧力を受けるため、ダイアフラム８３と受け部材８６とで囲われる空間（圧力検出室ＰＤ）に配置されたストッパ部材８４の上面と当接して支持される。

パワーエレメント８の組み付け時には、ストッパ部材８４の嵌合孔８４ａに作動棒５の上端を嵌合させた状態で、受け部材８６の中空円筒部８６ｄの雄ねじを、戻り流路２３と連通する弁本体２の凹部２ａの雌ねじに螺合させて、パワーエレメント８を弁本体２に固定する。
このとき、パワーエレメント８と弁本体２との間には、パッキンＰＫが介装され、弁本体２にパワーエレメント８を取り付けた際の凹部２ａからの冷媒のリークを防止する。かかる状態で、パワーエレメント８の圧力検出室ＰＤは戻り流路２３と連通する。

リングばね６は、作動棒５の振動を抑制する防振部材である。このリングばね６は、弁本体２の作動棒挿通孔２８に隣接する環状部２６に配置されて、内周側に突出した爪部により、作動棒５の外周面に所定の弾性力を付与するようになっている。

付勢装置４は、円形の線材を螺旋状に巻いたコイルばね４１と、ばね受け部材４３とを有する。ばね受け部材４３は、弁本体２の弁室ＶＳの開口を封止する機能と、コイルばね４１の下端を支持する機能とを有する。ばね受け部材４３と、弁室ＶＳの内壁との間には、Ｏ－リング４４が配置されており、冷媒漏れを防止している。

図３に示す弁体３は、コイルばね４１の上端を鍔部３３の下面に当接させ、また、コイルばね４１の上端内側に端部３４を嵌合させることにより保持されている。

（膨張弁の動作）
図１を参照して、膨張弁１０の動作例について説明する。コンプレッサ１０１で加圧された冷媒は、コンデンサ１０２で液化され、膨張弁１０に送られる。また、膨張弁１０で断熱膨張された冷媒はエバポレータ１０４に送り出され、エバポレータ１０４で、エバポレータの周囲を流れる空気と熱交換される。エバポレータ１０４から戻る冷媒は、膨張弁１０（より具体的には、戻り流路２３）を通ってコンプレッサ１０１側へ戻される。

膨張弁１０には、コンデンサ１０２から高圧冷媒が供給される。より具体的には、コンデンサ１０２からの高圧冷媒は、第１流路２１を介して弁室ＶＳに供給される。

弁体３の当接部３１が、弁座２０に着座しているとき（換言すれば、膨張弁１０が閉状態のとき）には、弁室ＶＳの上流側の第１流路２１と弁室ＶＳの下流側の第２流路２２とは、非連通状態である。他方、弁体３の当接部３１が、弁座２０から離間しているとき（換言すれば、膨張弁１０が開状態のとき）には、弁室ＶＳに供給された冷媒は、オリフィス部２７及び第２流路２２を通って、エバポレータ１０４へ送り出される。

本実施形態によれば、弁体３の当接部３１が弁座２０から離間しているとき、弁室ＶＳ内の気泡を含んだ冷媒は、弁体３の胴部３２の平面３２ａと、内壁２４との間の比較的狭い隙間を、胴部３２の軸線長にわたって通過する間に、気泡が徐々につぶれてゆく。このため、弁座２０を通過する際に気泡が一斉につぶれることがなく、気泡破裂時のエネルギーを低減させて、通過音を減少させることができる。また、胴部３２の軸線長にわたる平面３２ａに沿って冷媒を流すことで、冷媒の整流効果が得られる。

膨張弁１０の閉状態と開状態との間の切り換えは、パワーエレメント８に接続された作動棒５によって行われる。このとき、内壁２４に摺接する胴部３２のつなぎ面３２ｂが、胴部３２の軸線長に応じた長いスパンを持つため、弁体３の当接部３１が弁座２０から離間する際に生じる傾きを抑えることができる。そのため、上面３１ａが作動棒５と相対変位可能であることも相まって、弁体３のスムーズな動作を確保することができる。

図１において、パワーエレメント８の内部には、ダイアフラム８３により仕切られた圧力作動室ＰＯと圧力検出室ＰＤとが設けられている。このため、圧力作動室ＰＯ内の作動ガスが液化されると、作動棒５は上方向に移動し、液化された作動ガスが気化されると、作動棒５は下方向に移動する。こうして、膨張弁１０の開弁状態と閉弁状態との間の切り換えが行われる。

更に、パワーエレメント８の圧力検出室ＰＤは、戻り流路２３と連通している。このため、戻り流路２３を流れる冷媒の圧力が、ストッパ部材８４及びダイアフラム８３を介して圧力作動室ＰＯ内の作動ガスに伝達される。それにより、圧力作動室ＰＯ内の作動ガスの体積が変化し、作動棒５が駆動される。換言すれば、図１に記載の膨張弁１０では、エバポレータ１０４から膨張弁１０に戻る冷媒の圧力に応じて、膨張弁１０からエバポレータ１０４に向けて供給される冷媒の量が自動的に調整される。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態にかかる膨張弁について説明する。図４は、膨張弁１０Ａの弁体付近を拡大して示す断面図である。図５は、図４のＢ－Ｂ線における断面を上面視した図である。図６は、弁体３Ａの斜視図である。

図６において、弁体３Ａは、円錐状の当接部３１Ａと、六角筒状の胴部３２Ａと、円筒状の端部３４Ａとを連設してなる。

当接部３１Ａのテーパ面３１Ａｂが弁座２０に当接する。また、当接部３１Ａの上面３１Ａａは、軸線Ｌに対して直交する平面である。胴部３２Ａの外周は、６つの平面３２Ａａと、隣接する平面３２Ａａ同士の間に形成されたつなぎ面３２Ａｂとから形成されている。つなぎ面３２Ａｂは平面でもよいし曲面でもよい。胴部３２Ａの長さは、弁室ＶＳの内壁２４Ａの直径（又は胴部３２Ａの対角線最大長）の等倍以上あると好ましい。つなぎ面３２Ａｂが摺接部を構成し、平面３２Ａａが流路部を構成する。

弁室ＶＳの内壁２４Ａは、コイルばね４１の外径より大きくなっている。それ以外の構成は、上述した実施形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

本実施形態によれば、弁体３Ａの当接部３１Ａが弁座２０から離間しているとき、弁室ＶＳ内の気泡を含んだ冷媒は、弁体３Ａの胴部３２Ａの平面３２Ａａと、内壁２４Ａとの間の比較的狭い隙間を、胴部３２Ａの軸線長にわたって通過する間に、気泡が徐々につぶれてゆく。このため、弁座２０を通過する際に気泡が一斉につぶれることがなく、気泡破裂時のエネルギーを低減させて、通過音を減少させることができる。また、胴部３２Ａの軸線長にわたる平面３２Ａａに沿って冷媒を流すことで、冷媒の整流効果が得られる。

弁開閉時に、内壁２４Ａに当接する胴部３２Ａのつなぎ面３２Ａｂが、胴部３２Ａの軸線長に応じた長いスパンを持つため、弁体３Ａの当接部３１Ａが弁座２０から離間する際に生じる傾きを抑えることができる。そのため、上面３１Ａａが作動棒５と相対変位可能であることも相まって、弁体３Ａのスムーズな動作を確保することができる。

特に、つなぎ面３２Ａｂと内壁２４Ａとの当接位置が、軸線Ｌから比較的離れているため、弁体３Ａの傾きを効果的に抑制できる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態にかかる膨張弁について説明する。図７は、膨張弁１０Ｂの弁体付近を拡大して示す断面図である。図８は、図７のＣ－Ｃ線における断面を上面視した図である。図９は、弁体３Ｂの斜視図である。

図９において、弁体３Ｂは、円錐状の当接部３１Ｂと、円筒状の胴部３２Ｂと、円板状の鍔部３３Ｂと、円筒状の端部３４Ｂとを連設してなる。

当接部３１Ｂのテーパ面３１Ｂｂが弁座２０に当接する。また、当接部３１Ｂの上面３１Ｂａは、軸線Ｌに対して直交する平面である。胴部３２Ｂの長さは、弁室ＶＳの内壁２４Ｂの対角線最大長（又は胴部３２Ｂの直径）の等倍以上あると好ましい。

図８に示すように、弁室ＶＳの内壁２４Ｂは、６つの平面２４Ｂｂから形成された六角筒形状となっている。弁体３Ｂの胴部３２Ｂの外周は、図８に示す６つの接点ＣＰのいずれかで、平面２４Ｂｂと接する。したがって、胴部３２Ｂの外周面における接点ＣＰが、摺接部を構成し、また隣接する接点ＣＰ同士の間の外周面が、流路部を構成する。それ以外の構成は、上述した実施形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

本実施形態によれば、弁体３Ｂの当接部３１Ｂが弁座２０から離間しているとき、弁室ＶＳ内の気泡を含んだ冷媒は、弁体３Ｂの胴部３２Ｂの外周面と、内壁２４Ｂとの間の比較的狭い隙間を、胴部３２Ｂの軸線長にわたって通過する間に、気泡が徐々につぶれてゆく。このため、弁座２０を通過する際に気泡が一斉につぶれることがなく、気泡破裂時のエネルギーを低減させて、通過音を減少させることができる。また、胴部３２Ｂの軸線長にわたる平面２４Ｂｂに沿って冷媒を流すことで、冷媒の整流効果が得られる。

弁開閉時に、胴部３２Ｂに当接する平面２４Ｂｂが弁体３Ｂの軸線方向に長いスパンを持つため、弁体３Ｂの当接部３１Ｂが弁座２０から離間する際に生じる傾きを抑えることができる。そのため、上面３１Ｂａが作動棒５と相対変位可能であることも相まって、弁体３Ｂのスムーズな動作を確保することができる。

（変形例）
図１０は、変形例にかかる弁体と弁室の内壁との断面を示す、図２と同様な図である。本変形例においては、弁本体２Ｄにおける弁室の内壁２４Ｄが円筒面であるのに対し、弁体の胴部３２Ｄが非円形断面を有する。具体的には、胴部３２Ｄは、部分円筒形状面３２Ｄａと、平面３２Ｄｂとから形成される。平面３２Ｄｂの幅は、部分円筒形状面３２Ｄａの直径より短い。胴部３２Ｄの断面形状は、胴部３２Ｄの全長にわたって同一である。部分円筒形状面３２Ｄａが摺接部を構成し、平面３２Ｄｂが流路部を構成する。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

本変形例によれば、弁体が弁座から離間しているとき、弁室内の気泡を含んだ冷媒は、弁体の胴部３２Ｄの平面３２Ｄｂと、内壁２４Ｄとの間の比較的狭い隙間を、胴部３２Ｄの軸線長にわたって通過する間に、気泡が徐々につぶれてゆく。このため、弁座を通過する際に気泡が一斉につぶれることがなく、気泡破裂時のエネルギーを低減させて、通過音を減少させることができる。また、胴部３２Ｄの軸線長にわたる平面３２Ｄｂに沿って冷媒を流すことで、冷媒の整流効果が得られる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。例えば、流路部は平面に限らず、凸曲面又は凹曲面であってよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、 ：膨張弁
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｄ ：弁本体
３、３Ａ、３Ｂ ：弁体
４ ：付勢装置
５ ：作動棒
６ ：リングばね
８ ：パワーエレメント
２０ ：弁座
２１ ：第１流路
２２ ：第２流路
２３ ：戻り流路
２６ ：環状部
２７ ：オリフィス部
４１ ：コイルばね
４２ ：弁体サポート
４３ ：ばね受け部材
１００ ：冷媒サイクルシステム
１０１ ：コンプレッサ
１０２ ：コンデンサ
１０４ ：エバポレータ
ＶＳ ：弁室

Claims (6)

1. 弁室と弁座を備えた弁本体と、
   前記弁座に着座することにより流体の通過を制限し、前記弁座から離間することにより前記流体の通過を許容する弁体と、
   前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
   前記コイルばねによる付勢力に抗して、前記弁体を前記弁座から離間する方向に押圧する作動棒と、を有し、
   前記弁室は、前記弁座につながる筒状の内壁を有し、
   前記弁体は、前記弁座に着座する当接部と、前記内壁に対向する筒状の胴部とを有し、
   前記弁体の軸線直交方向に断面をとったとき、前記内壁の内周の形状と、前記胴部の外周の形状とを異ならせることにより、前記内壁と前記胴部との間に前記流体が通過する空間が形成され、前記内壁の内周と前記胴部の外周とが部分的に摺動可能に接触しており、
   前記弁室における部位であって前記胴部と対向する前記内壁に対して前記弁座とは反対側の部位に、流体を前記弁室に導入する接続路が形成され、
   前記流体は、前記内壁と前記胴部との間に形成された前記空間を通過し、前記空間を通過する間に当該流体の気泡がつぶされ、
   前記流体は、前記内壁と前記胴部との間に形成された前記空間を通過した後に前記弁座を通過する、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 前記内壁は円筒形状を有し、前記胴部は多角筒形状を有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記内壁は多角筒形状を有し、前記胴部は円筒形状を有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
4. 前記内壁は円筒形状を有し、前記胴部は非円形状断面を有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
5. 前記作動棒と前記弁体とは、相対変位可能に当接している、
   ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の膨張弁。
6. 前記流体は、前記空間の軸線方向全体にわたって通過する、
   ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の膨張弁。

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