KR101992848B1 - 용융 장치 - Google Patents

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Abstract

소정 온도로 가열되고 재료 공급구로부터 공급되는 성형 재료를 용융하여 용융 재료를 생성하는 용융 실린더; 용융 재료의 용융면 위에 불활성 가스를 공급 하여 불활성 가스층을 형성하는 불활성 가스 공급 장치; 및 불활성 가스층 위에 불활성 가스와 다른 종류의 기체인 저비중 가스를 공급 하여 저비중 가스층을 형성하는 저비중 가스 공급 장치;를 구비하고, 저비중 가스층은 불활성 가스층보다 비중이 작은 용융 장치를 제공한다.

Description

용융 장치{MELTING APPARATUS}
본 발명은 용융 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 성형 재료가 경금속인 사출 성형에 적합한 사출 성형기에 있어서의 용융 장치에 관한 것이다.
예를 들면 사출 성형과 같이, 성형 재료를 용융시켜 금형 등에 주입하고, 원하는 제품 형상으로 부형(賦形)하는 성형법이 알려져 있다. 이러한 성형법에 있어서, 성형 재료가 용융 시에 접촉한 공기 중의 물질과 반응하여 변질을 일으킬 수가 있다. 예를 들면, 성형 재료가 마그네슘이나 알루미늄인 경우, 공기 중의 산소, 질소와 반응하여 산화물이나 질화물을 발생시킬 가능성이 있다. 이에 더하여, 성형 재료가 마그네슘인 경우, 산소와 반응하여 연소 반응을 일으킬 가능성이 있다.
따라서, 특허 문헌 1에 개시되는 바와 같이, 성형 재료가 용융 시에 직접 공기와 접촉하지 않도록 장치 내에 용융 재료와 실질적으로 반응하지 않는 불활성(不活性) 가스를 주입하여, 용융 재료의 용융면 위에 불활성 가스로 이루어지는 불활성 가스층을 형성하는 용융 장치가 알려져 있다.
일본 특허 공개 2004-195527호 공보
일단 불활성 가스를 용융 장치 내에 주입하였다고 해도, 용융 장치의 열로 데워진 불활성 가스는 비중이 작아져, 재료 투입구 등의 개구부에 있어서 외부 공기와의 대류가 일어난다. 그 결과, 용융 장치 내의 불활성 가스는 누출되고, 불활성 가스 농도가 서서히 저하된다. 따라서, 정기적으로 용융 장치 내에 불활성 가스를 보충할 필요가 있다. 한편으로, 사용하는 불활성 가스의 양은 매우 적은 것이 바람직하다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 불활성 가스층 위에 불활성 가스와 다른 종류의 기체이며 불활성 가스층보다 비중이 작은 저비중 가스의 흐름을 만들어 저비중 가스층을 형성함으로써 외부 공기의 침입을 막아 용융 재료의 변질을 방지함과 아울러, 불활성 가스의 사용량을 줄인 용융 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 소정 온도로 가열되고 재료 공급구로부터 공급되는 성형 재료를 용융하여 용융 재료를 생성하는 용융 실린더; 용융 재료의 용융면 위에 불활성 가스를 공급하여 불활성 가스층을 형성하는 불활성 가스 공급 장치; 및 불활성 가스층 위에 불활성 가스와 다른 종류의 기체인 저비중 가스를 공급하여 저비중 가스층을 형성하는 저비중 가스 공급 장치;를 구비하고, 저비중 가스층은 불활성 가스층보다 비중이 작은 용융 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 용융 장치를 구비하는 사출 성형기에 있어서는, 불활성 가스층 위에 불활성 가스와 다른 종류의 기체이며 불활성 가스층보다 비중이 작은 저비중 가스층을 형성한다. 이에 따라, 용융한 성형 재료는 직접 공기와 접촉하지 않아, 성형 재료의 변질이 방지된다. 또한, 저비중 가스층에 의해 불활성 가스의 누출이 저해되어, 불활성 가스의 사용량을 보다 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 용융 장치(2)를 구비한 사출 유닛(1)의 구성도이다.
도 2는 도 1의 화살표 A-A에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 화살표 B-B에 따른 단면도임과 아울러, 재료 공급 장치(6)의 개략도이다.
도 4는 도 1의 화살표 C-C에 따른 단면도이다.
도 5는 재료 공급구 덮개(231)의 개폐를 나타내는 설명도이다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하기로 한다. 이하에 설명되는 각 실시 형태 및 복수 개의 각 구성 부재에 있어서의 변형예는 각각 임의로 조합하여 실시할 수 있다. 또한 이하의 설명에 있어서, "선단"이란 용융 재료(83)가 사출되는 측, 구체적으로는, 도 1에 있어서 용융 장치(2) 또는 사출 장치(4)를 향해 좌측의 단부를 가리키고, "후단"이란 성형 재료(81)가 공급되는 측, 구체적으로는, 도 1에 있어서 용융 장치(2) 또는 사출 장치(4)를 향해 우측의 단부를 가리킨다.
실시 형태의 용융 장치(2)를 구비하는 사출 성형기는, 성형 재료(81)가 경금속인 사출 성형에 적합한 구조를 갖는다. 본 발명에 있어서의 경금속은 비중이 4 이하인 금속을 말하며, 순금속뿐만 아니라 각 첨가 원소를 포함하는 합금도 포함하여 말한다. 실용상으로는, 특히, 마그네슘 합금 또는 알루미늄 합금이 성형 재료(81)로서 유효하다. 또한, 성형 재료(81)가 알루미늄 합금인 경우, 용손되지 않도록 용융 재료(83)와 접촉하는 부위는 기본적으로 서멧(cermet)계의 재료로 피복되어 있다.
본 발명의 용융 장치(2)를 구비하는 사출 성형기는, 주로 성형 재료(81)를 용융하는 용융 장치(2)를 포함하며 소정의 양의 용융 재료(83)를 금형의 캐비티 공간에 주입하는 사출 유닛(1)과, 형 개폐 및 형 조임을 수행하는 도시하지 않은 형 조임 유닛과, 사출 유닛과 형 조임 유닛의 동작을 제어하는 도시하지 않은 제어 유닛을 구비한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 용융 장치(2)는, 소정 온도로 가열되고 성형 재료(81)를 용융하여 용융 재료(83)를 생성하는 용융 실린더(21)를 구비하고, 용융 실린더(21)는, 용융 장치(2)의 후단 측에 마련되는 종실린더(Vertical cylinder)(211)와, 종실린더(211)에 연통되며 전단 측에 마련되는 횡실린더(Horizontal cylinder)(213)를 포함한다. 횡실린더(213)는, 용융 재료(83)가 저장되는 홈통부(215)와, 횡실린더(213) 상부에 마련되는 덮개부(217)를 갖는다. 도 1 내지 도 3에 각각 도시한 바와 같이, 종실린더(211)는 연직 방향으로 연장되는 단면 U자 형상이고, 횡실린더(213)의 홈통부(215)는 수평 방향으로 연장되는 단면 U자 형상이다. 종실린더(211) 및 홈통부(215)에는 U자 형상을 따라 각각 밀착되도록 복수 개의 히터(25)가 마련된다. 히터(25)의 주위에는 단열 소재로 이루어지는 단열부(251)가 마련되고, 히터(25)로부터의 열이 외부로 달아나지 않도록 하여 열 효율을 향상시킨다. 덮개부(217)는 단열 소재로 이루어지며, 개폐 또는 탈부착 가능하게 구성된다. 덮개부(217)를 개방하거나 떼어냄으로써 용융 실린더(21)의 유지 보수가 용이해진다. 또한, 덮개부(217)는 용융 재료(83)와 직접 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 본 명세서 중에서, 단면 U자 형상이란, 한 쌍의 측면과 바닥면으로 이루어지는 형상으로서, 측면과 바닥면이 곡선적으로 이어지는 것을 말한다. 예를 들면, 바닥면이 대략 반원 형상인 것이나, 도 2나 도 3과 같이 측면과 바닥면이 만나는 모퉁이가 둥그스름한 형상인 것을 포함하여 말한다. 단면 U자 형상의 실린더에 대해서는 측면과 바닥면에서 분할되지 않고 일체로 된 히터(25)를 밀착되도록 마련하는 것이 용이해진다.
종실린더(211)는 재료 공급구(23)로부터 공급된 성형 재료(81)를 히터(25)에 의해 가열하여 용융하여 용융 재료(83)를 생성하고 횡실린더(213)로 보낸다. 횡실린더(213)로 보내진 용융 재료(83)는 히터(25)에 의해 충분한 열을 제공받으면서 전방으로 보내지고, 연결 부재(5)의 연통로(51)를 경유하여 사출 장치(4)로 내보내진다.
용융 장치(2)에는, 후단 측으로부터 선단 측으로 연장되며 용융 실린더(21)의 적어도 양단을 제외한 내부를 구획하는 구획판(27)과, 용융 재료(83)를 교반하는 교반 장치(29)가 마련된다. 교반 장치(29)는, 예를 들면, 용융 실린더(21) 내에 마련된 교반 날개(291)를 샤프트(293)를 통해 모터(295)로 회전시키는 기어 펌프이다. 이러한 구성에 의해, 구획판(27)의 주위를 순환하는 용융 재료(83)의 유동이 형성되고, 용융 재료(83)의 체류를 방지할 수 있다. 결과적으로, 용융 실린더(21) 내의 용융 재료(83)의 온도가 균일화되어, 침강 편석 현상(sedimentation and segregation)을 방지할 수 있다. 특히, 본 실시예와 같이 수평 방향으로 연장되는 횡실린더(213)를 포함하는 용융 실린더(21)에 있어서는, 단순히 교반한 것만으로는 교반 부분 부근 이외에서의 체류를 방지하기는 어렵기 때문에 구획판(27)의 주위를 순환하도록 용융 재료(83)를 유동시키는 것이 특히 유효하다. 또한, 교반 장치(29)는 용융 실린더(21)의 어디에 설치해도 좋으나, 용융되지 않은 성형 재료(81)가 교반 날개(291)와 접촉하는 것을 막기 위해, 재료 공급구(23)로부터 어느 정도 이격시켜 마련하는 것이 바람직하다.
바람직하기로는, 모터(295)의 회전수 및 회전 토크를 검출하는 토크계(297)가 마련된다. 회전수와 회전 토크를 측정함으로써 용융 재료(83)의 점도를 산출할 수 있다. 나아가서는, 성형 재료(81)의 종류와 점도로부터 용융 재료(83)의 용융 상태를 판단할 수 있다.
용융 재료(83)의 산화나 질화를 방지하기 위해, 용융면(85) 위에는 소정 농도의 불활성 가스가 충만된다. 특히, 성형 재료(81)가 마그네슘 합금인 경우에는, 공기 중의 산소와 반응하여 연소될 가능성이 있기 때문에 불활성 가스의 공급은 매우 중요하다. 본 실시 형태에서는 용융 실린더(21)의 내부에 불활성 가스 공급 장치(35)로부터 불활성 가스를 공급함으로써, 용융면(85) 위에 소정 농도의 불활성 가스로 이루어지는 불활성 가스층(351)을 형성한다. 불활성 가스는 용융 재료(83)와 실질적으로 반응하지 않는 기체이면 되는데, 비교적 비중이 크고, 용이하게 입수 가능하며, 인체 및 환경에 대해 무해한 아르곤이 적합하다. 또한, 불활성 가스층(351)의 분위기 성분을 측정하는 분위기 측정계(31)가 마련되고, 불활성 가스 공급 장치(35)는 분위기 측정계(31)의 측정 결과에 따라, 불활성 가스층(351)의 불활성 가스가 소정 농도가 되도록 불활성 가스의 공급량을 제어하는 것이 바람직하다. 분위기 측정계(31)로는 직접 불활성 가스의 농도를 측정하는 것이어도 좋고, 산소 농도 또는 질소 농도를 측정하는 것이어도 좋다. 이와 같이 하면, 과부족 없이 불활성 가스를 공급할 수 있다. 또한, 불활성 가스층(351)의 분위기 성분을 측정하는 분위기 측정계(31)가 마련되며, 불활성 가스 공급 장치(35)는 분위기 측정계(31)의 측정 결과에 따라, 불활성 가스층(351)의 불활성 가스가 소정 농도가 되도록 불활성 가스의 공급량을 제어하는 것이 바람직하다. 분위기 측정계(31)로는 직접 불활성 가스의 농도를 측정하는 것이어도 좋고, 산소 농도 또는 질소 농도를 측정하는 것이어도 좋다. 이와 같이 하면, 과부족 없이 불활성 가스를 공급할 수 있다. 또한, 바람직하기로는, 용융 실린더(21)와 분위기 측정계(31) 사이에 냉각기(311)를 마련하고, 냉각기(311)를 지나 어느 정도 냉각된 불활성 가스가 분위기 측정계(31)에 의해 측정된다.
여기서, 불활성 가스층(351) 위에, 저비중 가스 공급 장치(37)에 의해 공급된 저비중 가스로 이루어지는, 불활성 가스층(351)보다 비중이 작은 저비중 가스층(371)이 형성된다. 저비중 가스는 불활성 가스와 다른 종류의 기체로서, 불활성 가스층(351)보다 비중이 작은 기체이면 되는데, 예를 들면, 불활성 가스층(351)보다 비중이 작아지는 온도까지 가열된 소정의 기체이다. 본 실시 형태에서는 소정의 기체는 구체적으로는 공기이다. 공기는 비용면 등에서 바람직한데, 수증기를 포함하기 때문에 제습되는 것이 바람직하다. 또한, 소정의 기체는 질소일 수도 있다. 질소는 공기를 사용하는 것보다는 비용이 드는데, 가스 봄베 또는 질소 발생 장치로부터 공급되는 질소는 비교적 품질이 안정적이다. 이와 같이 불활성 가스층(351) 위에 저비중 가스층(371)을 형성함으로써, 용융 재료(83)가 공기 중의 산소나 질소와 반응하는 것을 방지할 수 있으면서, 불활성 가스의 사용량을 줄일 수 있다.
저비중 가스가 불활성 가스층(351)보다 비중이 작아지는 온도까지 가열된 소정의 기체일 때, 소정의 기체를 가열하고 저비중 가스를 생성하는 가열 장치가 마련된다. 가열 장치는 적절하게 소정의 기체를 가열할 수 있는 것이면 다양한 형태를 채용 가능하며, 예를 들면, 전열선에 의해 공기를 가열하는 전기 히터일 수도 있다. 본 실시 형태에서는, 소정의 기체를 공급하는 공급구(391)와, 용융 실린더(21) 내에 마련되며 공급구(391)로부터 보내진 소정의 기체를 가열하는 관로(393)와, 관로(393)를 통과하며 가열된 소정의 기체를 용융 실린더(21) 내에 배출하는 배출구(395)를 포함하는 열교환기(39)이다. 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이, 공급구(391)로부터 관로(393)로 보내진 소정의 기체는, 용융 실린더(21) 내의 열에 의해 가열되고, 재료 공급구(23) 부근에 마련된 배출구(395)로부터 저비중 가스로서 배출된다. 이러한 열교환기(39)라면, 용융 실린더(21)의 열을 이용하여 소정의 기체를 가열할 수 있기 때문에, 보다 저렴하게 저비중 가스를 생성 가능하다. 또한 도 4에서는 히터(25) 및 단열부(251)는 도시 생략하였다.
저비중 가스는, 성형 재료(81)를 둘러싸도록 마련된 공급구(391)로부터 대략 균등하게 공급된다. 공급된 저비중 가스는 성형 재료(81)를 덮도록 상승하려고 하는데, 외부 공기로부터의 압력에 의해 꼼짝하지 못하고, 불활성 가스층(351)를 덮는 저비중 가스층(371)으로서 기능한다. 말하자면, 저비중 가스의 흐름에 의해 외부 공기의 침입을 막는 가스 배리어를 형성한다. 공급되는 저비중 가스의 양은 외부 공기가 흘러들어오지 않을 정도이면 된다. 또한, 성형 재료(81)와 공급구(391) 사이의 틈새는 불활성 가스의 누출을 방지하는 관점에서는, 저비중 가스의 공급을 적정하게 수행할 수 있는 범위에서 작은 것이 좋으며, 사용이 상정되는 최대의 성형 재료(81)의 크기에 따라 설계된다.
재료 공급 장치(6)는 재료 공급구(23)로부터 성형 재료(81)를 공급한다. 재료 공급 장치(6)는, 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이, 성형 재료(81)를 파지하는 암(611)과, 암(611)을 상하시키는 승하강 장치(613)를 구비하는 장치이다. 암(611)은 하나씩 성형 재료(81)를 파지한다. 승하강 장치(613)는 암(611)의 높이 위치, 하강 속도 및 하강의 시작 및 중단을 임의로 제어하도록 구성된다. 성형 재료(81)는 암(611)에 의해 파지된 상태에서 서서히 재료 공급구(23)로부터 내려지며, 용융 재료(83)에 잠긴 곳부터 서서히 용융된다. 이상과 같이 구체적으로 예시한 것 이외에도, 재료 공급 장치(6)는 다양한 형태가 이용 가능한데, 부분적으로 용융시키거나 하여 소량씩 성형 재료(81)를 공급하는 구성인 것이 재료 공급구(23) 부근의 급격한 온도 저하를 막는 데 있어 바람직하다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 재료 공급구(23)에는 개폐 가능한 재료 공급구 덮개(231)가 마련되는 것이 바람직하다. 성형 재료(81)의 공급을 수행하고 있지 않을 때에는 재료 공급구 덮개(231)를 닫음으로써 불활성 가스의 누출을 보다 바람직하게 방지할 수 있다. 그리고, 재료 공급구 덮개(231)를 닫고 있을 때에는, 용융 실린더(21)의 내압이 높아지는 것을 방지하기 위해, 재료 공급구 덮개(231)에 적당한 크기의 빈틈을 마련하여도 좋고, 저비중 가스 공급 장치(37)로부터의 저비중 가스의 공급을 중단하여도 좋다. 또한, 재료 공급구 덮개(231)를 마련하지 않는 경우에는, 성형 재료(81)의 공급을 수행하고 있지 않을 때 저비중 가스의 공급량을 많게 함으로써 불활성 가스의 누출을 억제할 수 있다.
또한, 용융 실린더(21) 내의 용융면(85)의 높이를 측정하는 액면계(33)가 마련된다. 액면계(33)로는 플로트(float)식, 레이저식 등 다양한 방식의 것이 채용 가능하다. 재료 공급 장치(6)는 용융면(85)의 높이가 소정 범위 내가 되도록 성형 재료(81)를 공급한다. 이에 따라, 성형 재료(81)를 과부족 없이 공급할 수 있음과 아울러 덮개부(217)와 용융 재료(83)의 접촉을 방지할 수 있다.
사출 장치(4)는 플런저 구동 장치(41)를 작동하여 플런저(43)를 후퇴시키고, 용융 실린더(21)로부터 연결 부재(5)의 연통로(51)를 통하여 사출 장치(4)로 보내져 오는 용융 재료(83)를 계량한다. 사출 장치(4)는 복수 개의 히터(47)에 의해 용융 재료(83)가 용융되어 있는 상태를 유지할 수 있는 소정의 온도의 범위로 보온되어 있다. 사출 장치(4)는 용융 재료(83)를 계량하고나서 연통로(51)를 폐쇄한 후, 플런저 구동 장치(41)를 작동하여 플런저(43)를 사출 장치(4)의 소정의 위치까지 전진시킨다. 플런저(43)가 소정의 위치까지 전진하면, 사출 장치(4) 속의 소정의 양의 용융 재료(83)가 사출 노즐(45)로부터 도시하지 않은 금형의 캐비티 공간으로 사출된다.
연결 부재(5)는 용융 실린더(21)와 사출 장치(4)를 연결하며, 용융 실린더(21)와 사출 장치(4)는 연결 부재(5) 속의 연통로(51)로 연통되어 있다. 연결 부재(5)는 히터(53)에 의해 용융 재료(83)가 용융되어 있는 상태를 유지할 수 있는 소정의 온도의 범위로 보온되어 있다.
역류 방지 장치(7)는, 예를 들면, 용융 실린더(21)의 내측 구멍(內孔, inner hole)면 위에 형성된 밸브 시트(71)와, 밸브 시트(71)에 대해 멀어지거나 가까워지는 봉 형상의 역류 방지 밸브 로드(73)와, 용융 실린더(21)의 측면에 고정되어 역류 방지 밸브 로드(73)를 진퇴 구동하는 밸브 로드 구동 장치인 유압 실린더 등의 유체압 실린더(75)를 구비한다. 연통로(51)는 역류 방지 장치(7)에 의해 계량 동작의 시작 시에 열리고 사출 동작 직전에 닫힌다. 또한, 역류 방지 장치(7)는 사출 장치(4) 또는 연결 부재(5)에 마련할 수도 있고, 또한 체크 밸브 혹은 로터리 밸브와 같이 종래 공지의 밸브가 채용될 수도 있다.
이상 설명한 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지에 의거하여 다양하게 변형시키는 것이 가능하며, 그들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것이 아니다. 특히 구체적인 장치에 대해서는 본 발명의 취지에 따른 기본적인 기능을 갖는 것은 본 발명에 포함된다.

Claims (12)

  1. 소정 온도로 가열되고 재료 공급구로부터 공급되는 성형 재료를 용융하여 용융 재료를 생성하는 용융 실린더;
    상기 용융 재료의 용융면 위에 불활성 가스를 공급하여 불활성 가스층을 형성하는 불활성 가스 공급 장치; 및
    상기 불활성 가스층 위에 상기 불활성 가스와 다른 종류의 기체인 저비중 가스를 공급하여 저비중 가스층을 형성하는 저비중 가스 공급 장치;
    를 구비하고,
    상기 저비중 가스층은 상기 불활성 가스층보다 비중이 작은 용융 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 성형 재료는 경금속인 용융 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 성형 재료는 마그네슘 합금 또는 알루미늄 합금인 용융 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 불활성 가스는 아르곤인 용융 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 저비중 가스는 소정의 기체를 가열하여 생성되는 용융 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 소정의 기체는 공기인 용융 장치.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 소정의 기체는 질소인 용융 장치.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 저비중 가스 공급 장치는 상기 소정의 기체를 가열하고 상기 저비중 가스를 생성하는 가열 장치를 포함하는 용융 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 가열 장치는 전기 히터인 용융 장치.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 가열 장치는,
    상기 소정의 기체를 공급하는 공급구와,
    상기 용융 실린더 내에 마련되며 상기 공급구로부터 보내진 상기 소정의 기체를 가열하는 관로와,
    상기 관로를 통과하고 가열된 상기 소정의 기체를 상기 용융 실린더 내에 배출하는 배출구를 포함하는 열교환기인 용융 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 불활성 가스층의 산소 농도, 질소 농도 또는 불활성 가스 농도 중 적어도 어느 하나를 측정하는 분위기 측정계와,
    상기 용융 실린더와 상기 분위기 측정계 사이에 마련되며 상기 불활성 가스를 냉각하는 냉각기를 추가로 구비하고,
    상기 불활성 가스 공급 장치는 상기 분위기 측정계의 검출값이 소정의 범위 내를 나타내도록 불활성 가스의 공급량을 제어하는 용융 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 재료 공급구에 마련된 개폐 가능한 재료 공급구 덮개를 추가로 구비하고,
    상기 재료 공급구 덮개는 상기 성형 재료를 공급하고 있지 않을 때에는 닫히는 용융 장치.
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