KR101154846B1 - 유성기어장치를 구비한 터보펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화제를 승압시켜 연소실로 공급하며, 산화제펌프 샤프트를 포함하는 산화제펌프; 연료를 승압시켜 연소실로 공급하며, 연료펌프 샤프트를 포함하는 연료펌프; 상기 산화제펌프와 상기 연료펌프에 구동력을 전달하는 터빈; 상기 산화제펌프와 상기 연료펌프 사이에 결합되는 유성기어장치;를 포함하는 터보펌프 시스템을 제공한다.
펌프, 유성기어, 로터, 터빈, 연료, 산화제

Description

유성기어장치를 구비한 터보펌프 시스템{turbopump system using a planetary gear device}
본 발명은 액체추진 로켓엔진의 터보펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유성기어장치를 구비하여 터보펌프 시스템의 크기와 무게를 감소시키면서 터보펌프의 효율을 증가시켜 액체추진 로켓엔진 전체의 성능을 증가시키는 터보펌프 시스템에 관한 것이다.
액체추진 로켓엔진에 구비되는 터보펌프 시스템은 산화제펌프, 연료펌프, 터빈으로 구성된다. 산화제펌프는 산화제를 고압으로 승압시켜 연소실로 공급하며, 연료펌프는 연료를 고압으로 승압시켜 연소실로 공급한다. 더불어 터빈은 상기 산화제펌프와 연료펌프에 동력을 공급한다.
산화제펌프에서 사용되는 작동유체인 액체산소와 연료펌프에서 사용되는 케로신(등유) 등과 같은 추진제는 유체의 포화증기압에서 차이가 있다. 동일한 온도에서 산화제의 증기압은 연료의 증기압 보다 매우 낮다. 특히, 산화제로 사용되는 액체산소의 경우는 상온에서 항상 기상으로 존재하며, 로켓엔진에서 산화제로 사용하기 위해 액상의 형태로 만들기 위해서는 주변온도를 항상 극저온 상태로 유지시 켜야 한다. 이러한 물리적 성질에 의해 대기압 상태에서도 액상의 산소는 주위환경에 노출될 때 쉽게 기화하는 특성이 있다. 터보펌프에서 산화제펌프와 연료펌프가 고회전수로 작동할 때, 펌프전방에서는 국부적으로 압력저하가 발생하고, 이 압력저하는 유체의 기화로 이어져 펌프의 캐비테이션(cavitation) 현상을 발생시킨다. 두 펌프의 작동회전수가 동일하다면 산화제펌프에서 캐비테이션이 더 쉽게 발생한다. 이러한 캐비테이션 현상이 과도하게 발생할 경우 펌프의 성능저하 및 안정성에 위험한 영향을 미치게 되어, 터보펌프의 고효율 및 경량화가 가능한 고회전수에서의 운영이 제한된다.
상술한 바와 같이 산화제의 증기압이 연료의 증기압 보다 낮은 조건으로 인해, 동일 터보펌프에서 산화제펌프의 운영 가능한 최대 회전수는 연료펌프의 최대 회전수에 비하여 낮다.
종래 기술에 따른 터보펌프 시스템은 하나의 구동 샤프트로 산화제펌프와 연료펌프를 구동하였다. 따라서, 산화제펌프에서 캐비테이션 현상을 가급적 줄이기 위해 연료펌프의 회전수를 산화제펌프의 최대 회전수로 제한할 수밖에 없었다. 펌프의 회전수가 높을수록 효율이 증가하는데, 종래 기술에 따른 터보펌프 시스템은 산화제펌프와 연료펌프가 동일한 회전수로 작동해야 하는 제약으로 인해, 상대적으로 연료펌프의 효율이 낮을 수밖에 없었다. 이러한 제약은 터보펌프 시스템, 나아가 액체추진 로켓엔진의 효율을 떨어뜨리는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 산화제펌프와 연료펌프 사이에 유성기어장치를 구비하여 산화제펌프와 연료펌프를 각각 최대 회전수로 구동시켜 터보펌프 시스템의 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 산화제펌프와 연료펌프의 샤프트를 동일 선상에 배치하여 터보펌프 시스템을 보다 안정적으로 구동시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 터보펌프 시스템의 크기 및 무게를 줄여 터보펌프 시스템의 효율을 높이고, 나아가 액체추진 로켓엔진의 성능을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 산화제를 승압시켜 연소실로 공급하며, 산화제펌프 샤프트를 포함하는 산화제펌프; 연료를 승압시켜 연소실로 공급하며, 연료펌프 샤프트를 포함하는 연료펌프; 상기 산화제펌프와 상기 연료펌프에 구동력을 전달하는 터빈; 및 상기 산화제펌프와 상기 연료펌프 사이에 결합되는 유성기어장치;를 포함하는 터보펌프 시스템을 제공한다.
상기 유성기어장치는, 상기 연료펌프 샤프트와 연결되어 있는 선기어; 상기 선기어의 외주 치합되어 토크를 배분하는 복수 개의 유성기어; 상기 유성기어에 치합되며 상기 산화제펌프의 샤프트와 연결되어 있는 링기어;를 포함할 수 있다.
상기 유성기어장치는 내부에 소정의 공간을 형성하는 상부케이싱과 하부케이싱을 더 포함하며, 상기 하부케이싱의 외측에는 상기 연료펌프 샤프트가 전달하는 회전력에 의해 상기 케이싱이 회전하거나 미끄러는지는 것을 방지하는 고정키가 형성될 수 있다.
상기 연료펌프는 윤활연료 공급홀이 형성되어 있는 연료 유입관을 더 포함하며, 상기 연료 유입관으로 유입된 연료의 일부가 상기 윤활연료 공급홀을 통해 상기 유성기어장치 내로 유입되며, 상기 유성기어장치 내로 유입된 연료는 상기 유성기어장치를 윤활할 수 있다.
상기 유성기어장치는, 상기 복수 개의 유성기어를 지지하는 캐리어를 더 포함할 수 있다.
상기 유성기어, 링기어 및 캐리어에는 상기 유성기어장치 내에 잔류하는 기체가 원활히 방출되고, 상기 윤활연료 공급홀을 통해 유입된 연료가 원활히 충진될 수 있도록 하는 윤활연료 충진홀이 형성될 수 있다.
상기 유성기어장치 내부로 유입된 연료가 방출되는 누설연료 배출포트를 더 포함할 수 있다.
상기 산화제펌프 측에서 누설되는 산화제가 방출되는 누설산화제 배출포트를 더 포함할 수 있다.
누설 산화제와 상기 유성기어장치 내부로 유입된 연료가 혼합되지 않도록 퍼지가스를 유입하는 퍼지가스 유입포트를 더 포함할 수 있다.
상기 링기어와 함께 회전하면서 주변의 누설연료를 국부적으로 승압시켜 윤활연료 배출용 미세간극으로 배출되는 연료의 흐름을 차단하는 임펠러 씰을 더 포함할 수 있다.
첫째, 본 발명은 산화제펌프와 연료펌프 사이에 유성기어장치를 구비하여 산화제펌프와 연료펌프를 각각 가용한 최대 회전수로 구동시켜 터보펌프 시스템의 효율을 증가시키는 효과가 있다.
둘째, 산화제펌프와 연료펌프의 샤프트를 동일 선상에 배치하여 터보펌프 시스템을 보다 안정적으로 구동시킬 수 있는 이점이 있다. 즉, 산화제펌프와 연료펌프의 샤프트가 편심 되지 않으므로 일반 기어장치를 사용하는 것에 비해 보다 구조적으로 안정적인 터보펌프 시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 유성기어장치를 적용한 감속기를 사용하여 터보펌프 시스템의 크기 및 무게를 줄여 터보펌프의 소형 및 경량화를 구현하고, 나아가 액체추진 로켓엔진의 성능을 높이는 효과가 있다. 유성기어장치는 일반기어장치에 비해 무게가 가볍고 부피가 작으므로, 유성기어장치를 사용함으로써 터보펌프 시스템을 소형화, 경량화 할 수 있으며, 나아가 액체추진 로켓엔진 전체 무게를 줄여 액체추진 로켓엔진의 성능을 높일 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되 어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보펌프 시스템(1)의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보펌프 시스템(1)은 산화제를 승압시켜 연소실(미도시)로 공급하는 산화제펌프(100), 연료를 승압시켜 연소실로 공급하는 연료펌프(200), 상기 산화제펌프(100)와 상기 연료펌프(200) 사이에 결합되는 유성기어장치(400), 상기 연료펌프(200) 및 산화제펌프(100)에 구동력을 제공하는 터빈(300)을 포함하여 구성된다.
터빈(300)은 터빈구동가스 공급관(320)을 통해 구동가스를 공급받아 로터(330)를 회전시켜 구동력을 발생시킨다. 상기 터빈(300)은 터빈구동가스 공급관(320), 로터(330) 및 로터 샤프트(310)를 포함하여 구성되며, 상기 로터(330)는 상기 로터 샤프트(310)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 로터(330)의 회전에 의해 발생된 구동력은 상기 연료펌프(200)와 상기 산화제펌프(100)에 전달된다.
연료펌프(200)는 연료 유입관(220)을 통해 연료를 흡입하고 이를 승압시켜 연소실에 공급한다. 상기 연료펌프(200)는 연료가 유입되는 연료유입관(220), 연료펌프 샤프트(210), 상기 연료펌프 샤프트(210)의 외주에 결합된 연료펌프 임펠러(230)를 포함하여 구성된다. 상기 연료펌프 샤프트(210)는 상기 로터 샤프트(310)와 결합되어 있으며, 상기 연료펌프 샤프트(210)가 회전함에 따라 상기 연료펌프 임펠러(230)가 회전한다. 상기 연료펌프 샤프트(210)와 상기 로터 샤프트(310)는 일체로 형성될 수 있다.
한편, 상기 연료 유입관(220)의 일측에는 윤활연료 공급홀(221)이 형성되어 있다. 상기 연료 유입관(220)을 통해 유입된 연료의 일부는 상기 윤활연료 공급홀(221)을 통해 상기 유성기어장치(400)에 공급된다. 상기 윤활연료 공급홀(221)을 통해 공급되는 연료는 상기 유성기어장치(400)의 윤활제 역할을 한다. 상기 연료 유입관(220)으로 유입되는 연료는 대기압보다 높은 압력으로 유입되므로 그 일부가 윤활연료 공급홀(221)을 통하여 상기 유성기어장치(400) 내부로 유입된다.
유성기어장치(400)는 상기 연료펌프 샤프트(210)로부터 토크를 전달받아 상기 산화제펌프(100)에 공급한다. 또한, 상기 유성기어장치(400)의 감속비에 따라 상기 산화제펌프 샤프트(110)를 감속시킨다. 즉, 상기 유성기어장치(400)는 상기 연료펌프 샤프트(210) 보다 상기 산화제펌프 샤프트(110)를 더 느리게 회전시킨다. 상기 유성기어장치(400)의 구체적인 구성은 후술한다.
산화제펌프(100)는 산화제를 흡입하고 이를 승압시켜 연소실에 공급한다. 상기 산화제펌프(100)는 산화제가 유입되는 산화제 유입관(120), 산화제펌프 샤프트(110), 상기 산화제펌프 샤프트(110)의 외주에 결합된 산화제펌프 임펠러(130)를 포함하여 구성된다. 상기 산화제펌프 샤프트(110)는 상기 유성기어장치(400)의 출력 스플라인 샤프트(440)와 결합되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보펌프 시스템(1)은 누설연료 배출포트(10), 누설산화제 배출포트(20), 퍼지가스 유입포트(30)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 터보펌프 시스템(1)은 윤활연료의 충전 전 상기 유성기어장치(400) 내부에 잔류기체가 남아있게 된다. 상기 잔류기체는 상기 윤활연료 공급홀(221)을 통해 유입되기 시작하는 연료와 함께 윤활연료 배출용 미세간극(40)을 거쳐 누설연료 배출포트(10)를 통하여 터보펌프 시스템이 작동하기 전까지 대기로 방출된다. 즉, 터보펌프 시스템이 작동되기 전까지는 계속적으로, 상기 유성기어장치(400) 내부로 유입된 연료는 상기 누설연료 배출포트(10)로 방출되며, 이 과정을 통하여 상기 유성기어장치(400) 내에는 윤활제 역할을 하는 연료가 충진된다.
또한, 상기 산화제펌프(100) 측에서 누설되는 산화제는 상기 누설산화제 배출포트(20)를 통해 대기로 방출된다. 더불어, 상기 퍼지가스 유입포트(30)를 통해 퍼지가스가 공급되며, 상기 퍼지가스는 상기 누설되는 산화제와 상기 유성기어장치 내부로 유입된 연료가 혼합되지 않게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보펌프 시스템(1)의 작동을 설명하며, 상기 터빈구동가스 공급관(320)을 통해 유입된 터빈구동가스에 의해 로터(330)가 회전한다. 상기 로터(330)가 회전함에 따라 상기 로터 샤프트(310)가 회전한다. 더불어, 상기 로터 샤프트(310)와 결합된 연료펌프 샤프트(210)가 회전한다. 상기 로터 샤프트(310)와 상기 연료펌프 샤프트(210)는 동일한 회전수로 회전한다. 상기 연료펌프 샤프트(210)가 회전함에 따라 연료펌프 임펠러(230)가 회전하여 유입된 연료를 승압시켜 연소실로 공급한다. 동시에, 상기 연료펌프 샤프트(210)의 토크는 상기 유성기어장치(400)를 통해 상기 산화제펌프 샤프트(110)에 전달된다. 더불어, 상기 유성기어장치(400)의 감속비에 따라 상기 산화제펌프 샤프트(110)는 상기 연료펌프 샤프트(210)의 속도보다 감속되어 회전한다.
이하 상기 유성기어장치(400)의 구성에 대해 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보펌프 시스템(1)의 유성기어장치(400)의 단면도이며, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ의 단면도이다.
유성기어장치(400)는 상부케이싱(410), 하부케이싱(420), 입력 스플라인 샤프트(430), 출력 스플라인 샤프트(440), 선기어(450), 복수 개의 유성기어(460), 링기어(470), 임펠러 씰(480)을 포함하여 구성된다.
상기 상부케이싱(410)과 상기 하부케이싱(420)은 케이싱 체결볼트(401)로 체결되어 있으며, 내부에 소정의 공간을 형성한다. 상기 하부케이싱(420)에는 상기 케이싱 체결볼트(401)가 삽입되는 케이싱 체결 관통홀(421)과 캐리어 체결볼 트(402)가 삽입되는 캐리어 체결 나사탭(422)이 형성되어 있다. 더불어, 상기 하부케이싱(420)의 외측에는 고정키(423)가 형성되어 있다. 상기 고정키(423)는, 상기 연료펌프 샤프트(210)의 회전력에 의해 상기 상부케이싱(410) 및 하부케이싱(420)이 회전하거나 미끄러지는 것을 방지한다. 상기 고정키(423)는 상기 연료펌프(200)에 형성된 홀에 삽입된다.
상기 입력 스플라인 샤프트(430)는 상기 선기어(450)와 상기 연료펌프 샤프트(210)를 연결시키는 역할을 한다. 상기 입력 스플라인 샤프트(430)의 일단은 상기 연료펌프 샤프트(210)와 결합되며, 타단은 상기 선기어(450)와 결합된다.
상기 복수 개의 유성기어(460)는 상기 선기어(450)의 외주에 치합되어 있으며, 상기 선기어(450)로 입력되는 토크를 배분하여 상기 링기어(470)로 전달한다. 더불어, 상기 유성기어(460)에 의해, 상기 링기어(470)의 회전수는 상기 선기어(450)의 회전수에 비해 감소한다. 한편, 상기 복수 개의 유성기어(460)는 캐리어(490)에 의해 결합을 유지한다. 더불어, 상기 캐리어(490)는 캐리어 체결볼트(402)를 통해 상기 하부케이싱(420)에 고정된다. 따라서, 상기 유성기어장치(400)는 캐리어 고정방식을 취하고 있다.
상기 링기어(470)는 상기 복수 개의 유성기어(460)로부터 토크를 전달받아 상기 출력 스플라인 샤프트(440)로 전달한다.
상기 출력 스플라인 샤프트(440)는 상기 링기어(470)와 상기 산화제펌프 샤프트(110)를 연결시키는 역할을 한다. 상기 출력 스플라인 샤프트(440)의 일단은 상기 링기어(470)에 결합되어 있으며, 타단은 상기 산화제펌프 샤프트(110)에 결합 되어 있다.
상기 임펠러 씰(480)은 상기 링기어(470)와 동일한 회전수로 돌면서 상기 누설연료 배출포트(10)로 방출되는 연료의 누설량을 줄인다. 상기 임펠러 씰(480)은 터보펌프 시스템의 운전이 시작되면서 상기 링기어(470)와 함께 회전한다. 회전하는 상기 임펠러실(480)은 주변의 누설연료를 국부적으로 승압시켜 비산시키는 기능을 하여 유성기어장치(400)를 거쳐 윤활연료 배출용 미세간극(40)으로 배출되는 연료의 흐름을 차단하게 된다.(도 1의 확대부 참조)
한편, 상기 유성기어(460), 링기어(470)와 및 캐리어(490)에는 상기 유성기어장치(400) 내에 잔류하는 기체가 원활하게 방출되고, 상기 유성기어장치(400) 내로 유입된 연료가 원활히 충진될 수 있도록 윤활연료 충진홀(460a,470a,490a,490b,490c)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이하에서 상기 유성기어장치(400)를 통해 토크가 전달되는 원리에 대해 설명한다.
연료펌프 샤프트(210)의 토크는 상기 유성기어장치(400)의 입력축인 상기 입력 스플라인 샤프트(430)를 통해 선기어(450)로 전달된다. 이어서, 상기 선기어(450)로 전달된 토크는 상기 선기어(450)의 외주에 결합된 복수 개의 유성기어(460)를 통해 분배되어 상기 링기어(470)로 전달된다. 최종적으로 상기 링기어(470)로 전달된 토크는 상기 출력 스플라인 샤프트(440)를 통해 상기 산화제펌프 샤프트(110)로 전달된다. 더불어, 상기 유성기어장치(400)의 감속비에 따라 상기 산화제펌프 샤프트(110)는 상기 연료펌프 샤프트(210)의 회전수 보다 낮은 회전수로 회전하게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보펌프 시스템의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보펌프 시스템의 유성기어장치의 단면도이며, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ의 단면도이다.
< 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 >
1 터보펌프 시스템
10 누설연료 배출포트 20 누설산화제 배출포트
30 퍼지가스 유입포트 40 윤활연료 배출용 미세간극
100 산화제펌프 110 산화제펌프 샤프트
120 산화제 유입관 130 산화제펌프 임펠러
200 연료펌프 210 연료펌프 샤프트
220 연료 유입관 221 윤활연료 공급홀
230 연료펌프 임펠러
300 터빈 310 로터 샤프트
320 터빈구동가스 공급관 330 로터
400 유성기어장치 401 케이싱 체결볼트
402 캐리어 체결볼트 410 상부케이싱
420 하부케이싱 421 케이싱 체결 관통홀
422 캐리어 체결 나사탭 423 고정키
430 입력 스플라인 샤프트 440 출력 스플라인 샤프트
450 선기어 460 유성기어
470 링기어 480 임펠러 씰
490 캐리어
460a,470a,490a,490b,490c 윤활연료 충진홀

Claims (7)

  1. 산화제를 승압시켜 연소실로 공급하며, 산화제펌프 샤프트(110)를 포함하는 산화제펌프(100);
    연료를 승압시켜 연소실로 공급하며, 연료펌프 샤프트(210)를 포함하는 연료펌프(200);
    상기 연료펌프(200) 및 상기 산화제펌프(100)에 구동력을 전달하는 터빈(300); 및
    상기 산화제펌프(100)와 상기 연료펌프(200) 사이에 결합되는 유성기어장치(400);를 포함하되,
    상기 유성기어장치(400)는,
    상기 연료펌프 샤프트(210)와 연결되어 있는 선기어(450);
    상기 선기어(450)의 외주 치합되어 토크를 배분하는 복수 개의 유성기어(460);
    상기 유성기어(460)에 치합되며 상기 산화제펌프 샤프트(110);와 연결되어 있는 링기어(470); 및
    내부에 소정의 공간을 형성하는 상부케이싱(410)과 하부케이싱(420)을 포함하고,
    상기 하부케이싱(420)의 외측에는 상기 연료펌프 샤프트(210)가 전달하는 회전력에 의해 상기 케이싱(410,420)이 회전하거나 미끄러는지는 것을 방지하는 고정키(423)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보펌프 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료펌프(200)는 윤활연료 공급홀(221)이 형성되어 있는 연료 유입관(220)을 더 포함하며,
    상기 연료 유입관(220)으로 유입된 연료의 일부가 상기 윤활연료 공급홀(221)을 통해 상기 유성기어장치(400) 내로 유입되며,
    상기 유성기어장치(400) 내로 유입된 연료는 상기 유성기어장치(400)를 윤활하는 것을 특징으로 하는 터보펌프 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유성기어장치(400)는,
    상기 복수 개의 유성기어(460)를 지지하는 캐리어(490)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보펌프 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유성기어(460), 링기어(470) 및 캐리어(490)에는
    상기 유성기어장치(400) 내에 잔류하는 기체가 원활히 방출되고, 상기 윤활연료 공급홀(221)을 통해 유입된 연료가 원활히 충진될 수 있도록 하는 윤활연료 충진홀(460a,470a,490a,490b,490c)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보펌프 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 링기어(470)와 함께 회전하면서 주변의 누설연료를 국부적으로 승압시켜 윤활연료 배출용 미세간극(40)으로 배출되는 연료의 흐름을 차단하는 임펠러 씰(480)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보펌프 시스템.
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