KR20060102376A - 적층형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층형 열교환기에 관한 것으로서, 그 목적은 인넷영역과 아웃넷영역으로 분리되어 열교환되는 열교환기에서 인넷영역에서 증발이 완전히 이루어져 아웃넷영역에서 과열도가 발생되는 것을 방지하도록 상기 인넷영역의 일부 냉매를 아웃넷영역으로 바이패스시켜 냉매의 온도차를 개선하도록 하는 적층형 열교환기를 제공하는데 있다. 이는 상하부에 적어도 한 쌍의 컵(11a)(11b)을 갖는 플레이트(11) 두 개를 접합하여 이루어짐과 아울러 서로 접합되는 컵(11a)(11b)들에 의해 적어도 한 쌍의 탱크(40)(41)가 형성되고, 내부에는 상기 탱크(40)(41)를 연통시키는 유로(14)가 형성되어 다수 적층되는 튜브(10)와, 상기 튜브(10)들 사이에 개재되는 방열핀(20)과, 상기 튜브(10)에 열교환매체가 유동되도록 결합되는 냉매유입관(50) 및 냉매유출관(51)과, 상기 튜브(10) 중에서 상기 유로(14)를 인넷영역과 아웃넷영역으로 구분하기 위한 상기 냉매유입관(50)과 냉매유출관(51) 사이에 설치되고, 일측의 컵을 차단하는 배플이 형성된 블랭크플레이트(12)를 포함하고, 상기 인넷영역의 튜브(10)에 형성된 인접한 탱크(40)(41)을 연통홀(15)로 상호 연통되도록 하여 상기 냉매유입관(50)을 통해 유입된 냉매을 바이패스하여 아웃넷영역으로 토출하도록 하는 것이다.

튜브, 방열핀, 엔드플레이트, 연통홀

Description

적층형 열교환기{Laminated type Heat exchanger}

도 1은 종래에 따른 열교환기를 나타내는 사시도,

도 2는 종래에 따른 열교환기에서 튜브를 나타내는 분해사시도,

도 3은 종래의 따른 열교환기의 냉매흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 열교환기의 전체적인 구조를 나타낸 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 탱크를 나타낸 단면도.

도 6은 도 5의 '가' 부위를 나타낸 분해사시도.

도 7은 도 5의 A - A선 단면도.

도 8은 도 5의 '나' 부위를 나타낸 분해사시도.

도 9는 도 5의 B - B선 단면도.

도 10은 도 5의 '다'부위를 나타낸 사시도

도 11은 도 5의 C - C선 단면도.

도 12는 도 5의 '라'부위를 나타낸 분해사시도.

도 13은 도 5의 D - D선 단면도.

도 14는 도 5의 '마'부위를 나타낸 분해사시도.

도 15는 도 5의 E - E선 단면도.

도 16은 본 발명에 따른 열교환기의 냉매흐름도.

도 17은 본 발명에 따른 플레이트의 다른 실시예를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

10: 튜브 11: 플레이트

11a, 11b: 컵 12: 블랭크플레이트

13: 매니폴드 플레이트 14: 유로

15: 연통홀 16: 비드

17: 목비드부 18: 매니폴드

20: 방열핀 30: 엔드플레이트

40, 41: 탱크 50: 냉매유입관

51: 냉매유출관

본 발명은 적층형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인넷영역과 아웃넷영역으로 분리되어 열교환되는 열교환기에서 인넷영역에서 증발이 완전히 이루어져 아웃넷영역에서 과열도가 발생되는 것을 방지하도록 상기 인넷영역의 일부 냉매를 아웃넷영역으로 바이패스시켜 냉매의 온도차를 개선하도록 하는 적층형 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 온도가 다른 두 개의 유체를 직접 또는 간접으로 접촉시켜 열을 교환하는 장치로서, 그 내부에 열교환 매체가 유동할 수 있는 통로를 구비하여 열교환 매체가 상기 통로를 흐르는 동안 외부의 공기와 열교환을 행할 수 있도록 디자인 장치이다.

자동차 공기조화 시스템에서도 다양한 유형의 열교환기가 구비되는데, 예를 들면 차량 난방을 위한 히터 코어, 차량 엔진 냉각을 위한 라디에이터, 차량 냉방을 위한 응축기 및, 증발기, 그리고 자동 트랜스미션용 오일을 냉각하기 위한 오일 쿨러등이 이에 포함된다.

이중에서 증발기용 열교환기는 열교환 매체로서 사용되는 냉매의 종류 및 열교환기 내부에서 발생하는 내부 압력에 따라 다양한 방식이 개발되어 왔으며, 대표적으로 휜 튜브 타입(fin tube type), 서펜틴 타입(serpentine type), 드론 컵 타입(drawn cup type), 패러랠 플로우 타입(parallel flow type) 등이 있다.

또한, 상기 증발기용 열교환기는 일단부에 한 쌍의 컵이 형성됨과 아울러 내부의 구획비드에 의해 "U"자형 유로가 구비된 두 개의 1탱크 플레이트들을 접합하여 이루어진 튜브들과 방열핀들을 교대로 적층하여 이루어지는 1탱크 타입과, 상,하 양단부에 각각 컵이 형성된 두 개의 2탱크 플레이트들을 접합하여 이루어진 튜브들과 방열핀들을 교대로 적층하여 이루어지는 2탱크 타입과, 상,하 양단부에 각각 한 쌍의 컵이 형성됨과 아울러 내부의 구획비드에 의해 양쪽으로 독립된 두 개의 유로가 구비된 두 개의 4탱크 플레이트들을 접합하여 이루어진 튜브들과 방열핀들을 교대로 적층하여 이루어지는 4탱크 타입 등이 있다.

도 1 및 도 2는 종래에 따른 열교환기의 일예를 나타낸 도면이며, 이는 1탱크 타입의 증발기를 나타내고 있다.

도시한 바와 같이 열교환기는 상호 나란하게 형성된 한 쌍의 컵(1a)(1b)을 갖는 플레이트(1) 두 개를 서로 접합하여 이루어짐과 아울러 서로 접합되는 컵(1a)(1b)들에 의해 한 쌍의 탱크(5)가 형성되고 상기 한 쌍의 탱크(5) 사이에서 수직으로 소정의 길이만큼 형성된 구획비드(1c)를 중심으로 전체적으로 "U"자형 유로(1d)가 형성되어 다수 적층되는 튜브(2)들과, 상기 튜브(2)들 사이에 개재되는 방열핀(3)과, 그리고 상기 튜브(2) 및 방열핀(3)들의 보강을 위하여 이들의 최외곽에 설치되는 엔드 플레이트(4)를 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기 유로(1d)내를 흐르는 냉매를 난류화시키기 위해 마주하는 양측 플레이트(1)가 엠보싱 가공에 의하여 다수의 비드(1e)들이 내측으로 돌출되어 접합된다.

또한, 상기 각 튜브(2)의 유로(1d) 입,출구측에는 냉매가 상기 유로(1d)로 골고루 분배되도록 하나 이상의 비드(1f-1)로 구획된 복수개의 통로(1f-2)를 갖는 목비드부(1f)가 형성되어 있다.

아울러, 양두형 플레이트는 하단부에 한 개 혹은 두 개의 컵이 더 형성되어 있다는 것을 제외하고 편두형 플레이트(1)와 동일하므로 이하 편의상 상단부에 두 개의 컵(1a)(1b)이 형성된 편두형 플레이트(1)만을 예를 들어 설명한다.

상기한 튜브(2)들 중에는 내부와 통하도록 탱크(5)의 일측으로 돌출됨과 아울러 냉매를 유입하기 위해 냉매유입구(6)와 연결되는 입구측 매니폴드(7a)가 형성된 매니폴드 튜브(7)와, 냉매를 배출하기 위해 냉매유출구(6a)와 연결되는 출구측 매니폴드(8a)가 형성된 매니폴드 튜브(8)도 사용된다.

한편, 상기 플레이트(1)의 상단에 형성된 한 쌍의 컵(1a)(1b)은 개방된 형태로 이루어지지만, 상기 엔드플레이트(4)와 접촉하는 최외곽 플레이트(1)의 컵은 밀폐된 형태로 이루어진다.

상기한 바와 같은 증발기 내에서의 냉매흐름은 도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 냉매 입,출구측 매니폴드(7a)(8a)가 형성된 일측 탱크(5)의 내부에는 유입되는 냉매와 배출되는 냉매를 구획하기 위한 일측의 컵을 차단하는 배플(9)이 형성되어 있다.

따라서, 상기 한 쌍의 탱크(5)는 냉매가 유입되는 탱크(5)측을 도면상에서는 "A", 상기 "A"측에서 냉매가 유턴되어 돌어오는 탱크(5)측을 "B", 상기 "B"측과 연통됨에 따라 냉매가 흘러 유입되는 탱크(5)측을 "C", 상기 "C"측에서 냉매가 유턴되어 돌어온후 배출되는 탱크(5)측을 "D"라고 할 때,

상기 냉매유입구(6)를 통해 유입되는 냉매는 상기 탱크(5)의 "A"측에 고루 분배된 후 튜브(2)들의 "U"자형 유로(1d)를 따라 흐르다가 인접한 타측 탱크(5)의 "B"측으로 유입되고 계속해서 동일탱크(5)의 "C"측으로 흐르게 되고, 다시 튜브(2)들의 "U"자형 유로(1d)를 따라 흐르다가 출구측 매니폴드(8a)가 형성된 탱크(5)의 "D"측으로 유입되어 최종 냉매유출구(6a)로 배출되게 되는 것이다.

이러한 증발기는 냉매 라인을 따라 냉각 시스템 내에서 순환하는 냉매를 유입하고 배출하는 과정에서 상기 튜브(2)들 사이를 통해 송풍되는 공기와 열교환하여 증발시킴으로써 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 차실내측으로 송풍되는 공기를 냉각하게 되는 것이다.

또한, 상기 배플(9)을 기준으로 하여 냉매유입구측은 인넷영역이고, 냉매출구측은 아웃넷영역으로 구분되는데 냉매흐름이 불균일한 경우에는 인넷영역에서 증발이 모두 이루어져 아웃넷영역에서는 과열도가 발생되는 문제점이 있다.

즉, 고정형 압축기를 이용한 공조시스템의 경우에는 엔진회전수에 비례하여 동일한 냉매량이 인넷영역 및 아웃넷영역에 공급되는데, 가변용량형 압축기를 이용한 공조시스템의 경우 일정압력 이하인 경우 냉매흐름량을 줄이기 때문에 인넷영역에서 증발이 이루어지고 아웃넷영역에서는 과열이 발생하여 토출온도가 상승되는 것이다.

다시 말해서, 증발기측으로 유입되는 냉매량이 가변되어 적어질 경우 아웃넷 영역에서의 과열도가 높아져 공조시스템 전체의 성능이 약화되게 된다.

상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 인넷영역과 아웃넷영역으로 분리되어 열교환되고, 유입냉매의 양이 가변되는 구조의 열교환기에서 인넷영역에서 증발이 완전히 이루어져 아웃넷영역에서 과열도가 발생되는 것을 방지하도록 상기 인넷영역의 일부 냉매를 아웃넷영역으로 바이패스시켜 냉매의 온도차를 개선하도록 하는 적층형 열교환기를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상하부에 적어도 한 쌍의 컵을 갖는 플레이트 두 개를 접합하여 이루어짐과 아울러 서로 접합되는 컵들에 의해 적어도 한 쌍의 탱크가 형성되고, 내부에는 상기 탱크를 연통시키는 유로가 형성되어 다수 적층되는 튜브와, 상기 튜브들 사이에 개재되는 방열핀과, 상기 튜브에 열교환매체가 유동되도록 결합되는 냉매유입관 및 냉매유출관과, 상기 튜브 중에서 상기 유로를 인넷영역과 아웃넷영역으로 구분하기 위한 상기 냉매유입관과 냉매유출관사이에 설치되고, 일측의 컵을 차단하는 배플이 형성된 블랭크플레이트를 포함하고, 상기 인넷영역의 튜브에 형성된 인접한 탱크을 연통홀로 상호 연통되도록 하여 상기 냉매유입관을 통해 유입된 냉매을 바이패스하여 아웃넷영역으로 토출하도록 하는 것이다.

또한, 상기 연통홀은, 냉매유입관을 통해 유입된 냉매의 30% 이하가 바이패스되도록 설정되는 것이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 전체적인 구조를 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 열교환기는 한 쌍의 컵(11a)(11b)을 갖는 두 개의 플레이트(11)를 접합하여 한 쌍의 탱크(40)(41)를 형성하는 튜브(10)와, 상기 튜브(10)들 사이에 개재되는 방열핀(20)과, 상기 튜브(10) 및 방열핀(20)을 보강하기 위해 이들의 최외곽에 설치되는 엔드플레이트(30)를 포함한다.

또한, 본 발명의 튜브(10)는 일측의 컵을 차단하는 블랭크플레이트(12)를 기준으로 인넷영역과 아웃넷영역으로 구분하고, 상기 인넷영역과 아웃넷영역에는 각각 냉매유입관(50)과 냉매유출관(51)이 설치되는 것이다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 열교환기의 인넷영역에 설치된 튜브를 나타 낸 도면이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 인넷영역에 설치된 튜브(10)는 상호 나란하게 형성된 한 쌍의 컵(11a)(11b)을 갖는 플레이트(11) 두 개를 접합하여 이루어짐과 아울러 서로 접합되는 컵(11a)(11b)들에 의해 한 쌍의 탱크(40)(41)가 형성되고, 상기 한 쌍의 탱크(40)(41) 사이에서 수직으로 소정의 길이만큼 형성된 구획비드(19)를 중심으로 유로(14)가 형성되며, 상기 한 쌍의 컵(11a)(11b)을 상호 연통시키는 연통홀(15)이 형성되는 것이다.

상기에서 유로(14)는 전체적으로 "U"자형을 이루게 된다.

즉, 상기 연통홀(15)을 통해 냉매유입관(50)에서 공급된 냉매가 대부분은 유로(14)를 통해 유동되도록 하고, 일부는 연통홀(15)을 통해 바로 아웃넷영역으로 유동될 수 있도록 한다.

또한, 상기 연통홀(15)의 크기는, 냉매유입관(50)을 통해 유입된 냉매의 30% 이하가 바이패스되도록 설정되는 것이 바람직하며, 이는 연통홀의 크기가 30% 이상이 될 경우 아웃넷 영역의 냉매가 인넷 영영으로 역류될 가능성이 크기 때문이다.

상기와 같이 연통홀(15)에서 바이패스되는 냉매가 30% 이하가 되게 하기 위해서는 인넷영역에 설치된 튜브중에서 일부에만 연통홀(15)이 설치되게 하는 것이다.

즉, 도 5의 부호 "E" 부위는 아웃넷 영역의 튜브와 같이 연통홀(15)이 설치되지 않도록 하는 것이다.

또한, 상기 튜브(10)의 유로(14)의 내부에는 흐르는 냉매를 난류화시키기 위 해 마주하는 양측 플레이트(11)가 엠보싱 가공에 의하여 다수의 비드(16)들이 내측으로 돌출되어 접합되고, 상기 튜브(10)의 유로(14) 입,출구측에는 냉매가 상기 유로(14)로 골고루 분배되도록 하나 이상의 비드로 구획된 복수개의 통로를 갖는 목비드부(17)가 형성되도록 하며, 이하에서 설명되는 튜브들에도 전부 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 열교환기의 아웃넷영역에 설치된 튜브를 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 아웃넷영역에 설치된 튜브(10)는 상호 나란하게 형성된 한 쌍의 컵(11a)(11b)을 갖는 플레이트(11) 두 개를 접합하여 이루어짐과 아울러 서로 접합되는 컵(11a)(11b)들에 의해 한 쌍의 탱크(40)(41)가 형성되고, 상기 한 쌍의 탱크(40)(41) 사이에서 수직으로 소정의 길이만큼 형성된 구획비드(19)를 중심으로 유로(14)가 형성된 것이다.

한편, 본 발명의 인넷영역과 아웃넷영역의 최외측에 설치된 플레이트(11)의 한쌍의 컵(11a)(11b)은 차단되어 냉매유로를 차단하도록 하는 것이고, 이의 외측에 엔드플레이트(30)가 결합된다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 열교환기의 유로를 구획하는 블랭크플레이트를 나타내고 있으며, 상기 블랭크플레이트(12)는 일측의 컵(11a)을 차단하여 인넷영역과 아웃넷영역을 구분하는 것이다.

도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 열교환기의 매니폴드 튜브를 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 매니폴드 튜브(13)는 상기 튜브(10) 중에서 인넷영역과 아웃넷영역에 냉매을 입출입할수 있도록 냉매유입구(50) 및 냉매유출구(51)을 설치하도록 하는 것으로, 일측에 매니폴드(18)가 설치되어 있으며, 이하에서는 설명의 편의상 인넷 매니폴드 튜브(13a) 및 아웃넷 매니폴드 튜브(13b)로 구분하여 설명한다.

도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이 상기 인넷 매니폴드 튜브(13a)에는 한 쌍의 컵(11a)(11b)을 상호 연통시키는 연통홀(15)이 형성되어 냉매유입구(50)을 통해 유입된 냉매를 아웃넷 영역으로 유동시키도록 한다.(참고로, 인넷 매니폴드 튜브(13a)는 인넷영역에 형성된 튜브(10)와 그 구조가 동일하며, 매니폴드(18)가 형성된 것만 차이가 있다.)

도 14 및 도 15에 도시한 바와 같이 상기 아웃넷 매니폴드 튜브(13b)에는 한 쌍의 컵(11a)(11b)을 연통시키지 않고, 유로(14)를 통해 유동되는 냉매를 냉매유출구(51)로 토출되도록 하는 것이다.(참고로, 아웃넷 매니폴드 튜브(13b)는 아웃넷 영역에 형성된 튜브(10)와 그 구조가 동일하며, 매니폴드(18)가 형성된 것만 차이가 있다.)

도 16은 본 발명에 따른 열교환기의 냉매흐름도이며, 이를 참고로 하여 냉매흐름을 설명하면 다음과 같다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열교환기의 냉매유입구(50)에는 팽창밸브(미도시)가 연결되고, 냉매유출구(51)에는 압축기(미도시)가 연결되어 냉매회로를 구성하게 되는 것이다.

냉매유입구(50)를 통해 유입된 냉매의 대부분은 부호 A를 따라 제1냉매영역(Ⅰ)으로 하강하고, 상기 냉매중에서 일부는 부호 a를 따라 연통홀(15)를 통해 제2냉매영역(Ⅱ)으로 유동된다.

상기 제1냉매영역(Ⅰ)으로 유동된 냉매는 하방에서 유턴하여 부호 B를 따라 제2냉매영역(Ⅱ)으로 유동되며, 연통홀(15)을 통해 유입된 냉매와 혼합되면서 부호 C를 따라 제3냉매영역(Ⅲ)으로 유동된다.

이때 상기 제1,2냉매영역은 인넷영역(Ⅰ)(Ⅱ)에 포함되고, 제3냉매영역(Ⅲ) 및 후술할 제4냉매영역(Ⅳ)은 아웃넷영역에 포함된다.

즉, 본 발명의 열교환기는 제1냉매영역(Ⅰ)으로 유입된 냉매의 일부를 외부 공기와 열교환시키지 않고, 제2냉매영역(Ⅱ)을 통해 바로 아웃넷영역인 제3냉매영역(Ⅲ)으로 유동되도록 하는 것이다.

또한, 상기 제3냉매영역(Ⅲ)에 유동된 냉매는 부호 D를 따라 하방으로 낙하하여 유턴되면서 부호 E를 따라 냉매유출구를 통해 압축기 측으로 토출된다.

상기와 같이 냉매유입구를 통해 유입된 냉매의 일부를 부호 a를 따라 연통홀(15)를 통해 제2냉매영역(Ⅱ) 으로 유동되도록 함으로서, 가변용량형 압축기와 같이 사판의 각도에 따라 냉매의 토출량이 가변되어 냉매흐름량이 줄어들어도 인넷영역에서 대부분의 증발이 발생되는 것을 방지하고, 일부의 냉매을 아웃넷영역으로 유동되도록 하여 열교환기의 전체적인 열효율을 향상되도록 할 수 있는 것이다.

상기 연통홀(15)을 통해 유동되는 냉매는 냉매유입구(51)에서 공급되는 냉매의 약 30%정도 유동되도록 하는 것이 바람직하며, 이는 연통홀의 크기가 30% 이상 이 될 경우 아웃넷 영역의 냉매가 인넷 영영으로 역류될 가능성이 크기 때문이다.

한편, 지금까지는 1-탱크식 열교환기에 대해 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 도 17에 도시한 바와 같이 4-탱크식 열교환기에도 연통홀으 설치하여 인넷 영역의 일부 냉매를 아웃넷 영역으로 바이패스 할 수 있는 것이다.

이를 도면을 참고로 하여 설명하며, 설명의 편의성 부호는 1-탱크식 열교환기와 동일한 부호를 부여하여 설명하면, 플레이트(11) 상하부에 각각 한쌍의 컵부(11a)(11b)가 형성되고, 상기 컵부(11a)(11b) 사이에 수직으로 형성된 구획비드(19)에 의해 양측으로 독립된 두 개의 유로(14)가 형성되며, 상측에 형성된 한 쌍이 컵부(11a)(11b)에 연통홀(15)을 형성하여 냉매유입관을 통해 유입된 냉매을 인넷영역에서 아웃넷 영역으로 바이패스 시키는 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 적층형 열교환기는 인넷영역과 아웃넷영역으로 분리되어 열교환되고, 유입냉매의 양이 가변되는 구조의 열교환기에서 인넷영역에서 증발이 완전히 이루어져 아웃넷영역에서 과열도가 발생되는 것을 방지하도록 상기 인넷영역의 일부 냉매를 아웃넷영역으로 바이패스시킴으로서, 냉매의 온도차를 개선할 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 상하부에 적어도 한 쌍의 컵(11a)(11b)을 갖는 플레이트(11) 두 개를 접합하여 이루어짐과 아울러 서로 접합되는 컵(11a)(11b)들에 의해 적어도 한 쌍의 탱크(40)(41)가 형성되고, 내부에는 상기 탱크(40)(41)를 연통시키는 유로(14)가 형성되어 다수 적층되는 튜브(10)와,

   상기 튜브(10)들 사이에 개재되는 방열핀(20)과,

   상기 튜브(10)에 열교환매체가 유동되도록 결합되는 냉매유입관(50) 및 냉매유출관(51)과,

   상기 튜브(10) 중에서 상기 유로(14)를 인넷영역과 아웃넷영역으로 구분하기 위한 상기 냉매유입관(50)과 냉매유출관(51) 사이에 설치되고, 일측의 컵을 차단하는 배플이 형성된 블랭크플레이트(12)를 포함하고,

   상기 인넷영역의 튜브(10)에 형성된 인접한 탱크(40)(41)를 연통홀(15)로 상호 연통되도록 하여 상기 냉매유입관(50)을 통해 유입된 냉매을 바이패스하여 아웃넷영역으로 토출하도록 하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 연통홀(15)의 크기는, 냉매유입관(50)을 통해 유입된 냉매의 30% 이하가 바이패스되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.

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