JP5169488B2 - Induction heating device - Google Patents
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Description
本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う誘導加熱装置に関するものである。 The present invention relates to an induction heating apparatus that heats an object to be heated using induction heating by a high-frequency magnetic field.
従来、この種の誘導加熱装置はインバータ回路を並列に配置している(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, this type of induction heating device has inverter circuits arranged in parallel (see, for example, Patent Document 1).
図3は、特許文献1に記載された従来の誘導加熱装置の回路図を示すものである。図3に示すように、直流電源1と並列に第1の半導体スイッチ5と第2の半導体スイッチ6の直列体が接続され、第2の半導体スイッチ6には第1の加熱コイル3と第1の共振コンデンサ2の直列接続体と、第1のスナバコンデンサ7が接続されるとともに、同じく直流電源1と並列に第3の半導体スイッチ15と第4の半導体スイッチ16の直列体が接続され、第4の半導体スイッチ16には第2の加熱コイル13と第2の共振コンデンサ12の直列接続体と、第2のスナバコンデンサ17が接続される。第1〜第4の半導体スイッチは制御手段8により、第1の加熱コイル3及び第2の加熱コイル13に磁気的に結合した鍋などの負荷に所定の電力が供給できる様に導通時間及び動作周波数を制御するように構成されている。
FIG. 3 shows a circuit diagram of a conventional induction heating apparatus described in
続いて本従来例の動作を説明する。なお、本動作説明は直流電源1、第1の半導体スイッチ5、第2の半導体スイッチ6、第1の加熱コイル3、第1の共振コンデンサ2、第1のスナバコンデンサ17及び制御手段8で構成される回路の関して行うが、直流電源1、第3の半導体スイッチ15、第4の半導体スイッチ16、第2の加熱コイル13、第2の共振コンデンサ12、第2のスナバコンデンサ17及び制御手段8で構成される回路に関しても同様に動作をするものである。
Next, the operation of this conventional example will be described. The description of the operation is made up of a
第1の半導体スイッチ5が導通すると第1の加熱コイル3に直流電源1と第1の共振コンデンサ2の電圧の差で決まる電流が供給される。
When the
次に第1の半導体スイッチ5をオフ状態にすると、第1のスナバコンデンサ7に蓄えられた電荷が第1の加熱コイル3を通して第1の共振コンデンサ2に移動し、第1のスナバコンデンサ7の電荷がなくなった後は第2の半導体スイッチ6内の逆導通素子が導通することで、第1の加熱コイル3から第1の共振コンデンサ2に電流が流れることになる。
Next, when the
この逆導通素子が導通しているタイミングで、第2の半導体スイッチ6を導通状態としておくことで、第1の加熱コイル3の電力が第1の共振コンデンサ2に遷移した後、第1の共振コンデンサ2を電源として第1の加熱コイル3に電力を供給することになる。
By setting the
さらに、所定時間が経過した後、第2の半導体スイッチ6を非導通状態にすると、第1のスナバコンデンサ7に電荷を蓄えた後、第1の半導体スイッチ5内の逆導通素子を通して第1の加熱コイル3に蓄えられた電力を直流電源1に回生することになる。
Further, when the
この回生期間に、再び第1の半導体スイッチ5を導通状態にすることで最初の動作に戻ることになる。この一連の動作を20〜50kHz程度の周波数で行うことにより、第1の加熱コイル3に高周波電流が供給され、この高周波電流により発生する高周波磁界が第1の加熱コイル3と磁気的に結合する鍋など負荷に入り、この高周波磁界により負荷に渦電流が発生し、この渦電流と鍋自身の表皮抵抗により鍋自身が発熱することになる。
In this regeneration period, the
なお、第1のスナバコンデンサ7は第1の半導体スイッチ5及び第2の半導体スイッチ6が非導通状態になる際に電圧を緩やかに増加させることで、半導体スイッチのターンオフ時の損失を減少させる役割を担っている。
The
また、本従来例の誘導加熱装置は第1の共振コンデンサ2の容量を第1の加熱コイル3と第1の共振コンデンサ2で形成される共振回路の共振周波数の近傍に設定しなければ必要な電力が確保されず、一方、第1の加熱コイル3と磁気的に結合して配置される鍋などの種類によって共振周波数は大きく異なるため、制御手段8が駆動周波数を共振周波数の近くに併せる制御つまり駆動周波数を変化させて制御を行っている。
Further, the induction heating device of this conventional example is necessary unless the capacity of the
ここで、第1の加熱コイル3と第2の加熱コイル12は一つの鍋の下部に配置され、一つの負荷を交互にあるいは同時に加熱することになる。
しかしながら、前記従来の構成では、複数の加熱コイルを用いて同時に負荷を加熱する際には加熱コイルに流れる電流の向きを揃え一定に加熱分布が得られるようにしているため、加熱コイルに流れる電流の向きを変え加熱分布を変える配慮がなされていないという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, when a load is heated simultaneously using a plurality of heating coils, the direction of the current flowing through the heating coil is aligned and a uniform heating distribution is obtained. There was a problem that consideration was not given to changing the direction of heating and changing the heating distribution.
前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、直流電源と、前記直流電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第1の半導体スイッチに接続する第1及び第2の半導体スイッチの直列体と、前記直列電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第3の半導体スイッチに接続する第3及び第4の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第1及び第2の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第1の加熱コイルと第1の共振コンデンサの直列回路で構成される第1の共振回路と、一端を前記第3及び第4の半導体スイッチの直列体の中点に他端を前記第1の共振コンデンサの他端と接続した第2の加熱コイルと第2の共振コンデンサの直列回路で構成される第2の共振回路と、一端を前記第1の共振回路と前記第2の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段と、前記第1〜第4の半導体スイッチの動作を制御する制御手段を備え、前記制御手段は前記第1及び第2半導体スイッチを交互に動作させ、前記第3と第4の半導体スイッチを交互に動作させるとともに前記第1と第3の半導体スイッチを同時に動作させ前記第2と第4の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を短絡状態とし、前記第1と第4の半導体スイッチを同時に動作させ前記第2と第3の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を開放状態としたものである。 In order to solve the conventional problem, an induction heating apparatus of the present invention includes a first power source and a second power source connected in parallel to the direct current power source and a positive electrode of the direct current power source connected to a first semiconductor switch. A series body of semiconductor switches, a series body of third and fourth semiconductor switches connected in parallel to the series power supply and connecting the positive electrode of the DC power supply to a third semiconductor switch, and one end of the first and second ends A first resonance circuit composed of a series circuit of a first heating coil and a first resonance capacitor connected to the midpoint of the series body of the semiconductor switches, and one end of the third and fourth semiconductor switches in series A second resonance circuit comprising a series circuit of a second heating coil and a second resonance capacitor, the other end of which is connected to the other end of the first resonance capacitor at the middle point of the body, and one end of the first resonance capacitor. Resonance circuit and the second resonance circuit A switching means for connecting to a connection point and connecting the other end to one end of the DC power supply; and a control means for controlling the operation of the first to fourth semiconductor switches. The control means includes the first and second semiconductors. When the switches are operated alternately, the third and fourth semiconductor switches are operated alternately, and the first and third semiconductor switches are operated simultaneously and the second and fourth semiconductor switches are operated simultaneously. The switching means is short-circuited, and when the first and fourth semiconductor switches are operated simultaneously and the second and third semiconductor switches are operated simultaneously, the switching means is opened.
これによって、複数の加熱コイルを流れる電流により発生する磁界を互いに干渉させることができるため、機器の使用状態に応じて加熱分布を使い分けることが可能となり、例えば調理メニューにあった加熱分布を得られる。 As a result, the magnetic fields generated by the currents flowing through the plurality of heating coils can be made to interfere with each other, so that the heating distribution can be properly used according to the use state of the device, for example, the heating distribution suitable for the cooking menu can be obtained. .
本発明の誘導加熱装置は、鍋などの負荷の形状や使用状態に応じて同期して動作している複数の加熱コイルに流れる電流の向きを簡単に変えることができるため、それぞれの条件に適した加熱分布を得ることができ、加熱分布が良くなるあるいは効率よく加熱できるなど使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。 The induction heating device of the present invention can easily change the direction of the current flowing through a plurality of heating coils operating in synchronization according to the shape of a load such as a pan and the usage state, and is suitable for each condition. Thus, it is possible to achieve an easy-to-use induction heating apparatus such as a heating distribution that can be improved or the heating distribution can be improved or the heating can be performed efficiently.
第1の発明は、直流電源と、前記直流電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第1の半導体スイッチに接続する第1及び第2の半導体スイッチの直列体と、前記直列電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第3の半導体スイッチに接続する第3及び第4の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第1及び第2の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第1の加熱コイルと第1の共振コンデンサの直列回路で構成される第1の共振回路と、一端を前記第3及び第4の半導体スイッチの直列体の中点に他端を前記第1の共振コンデンサの他端と接続した第2の加熱コイルと第2の共振コンデンサの直列回路で構成される第2の共振回路と、一端を前記第1の共振回路と前記第2の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段と、前記第1〜第4の半導体スイッチの動作を制御する制御手段を備え、前記制御手段は前記第1及び第2半導体スイッチを交互に動作させ、前記第3と第4の半導体スイッチを交互に動作させるとともに前記第1と第3の半導体スイッチを同時に動作させ前記第2と第4の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を短絡状態とし、前記第1と第4の半導体スイッチを同時に動作させ前記第2と第3の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を開放状態とする誘導加熱装置とすることにより、複数の加熱コイルを流れる電流により発生する磁界を互いに干渉させることができるため、機器の使用状態に応じて加熱分布を使い分けることが可能となり、例えば調理メニューにあった加熱分布を得られるなど使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。 A first aspect of the present invention is a DC power source, a series body of first and second semiconductor switches connected in parallel to the DC power source and connecting a positive electrode of the DC power source to a first semiconductor switch, and parallel to the series power source. Connected in series to a third body of a third and a fourth semiconductor switch that connects the positive electrode of the DC power source to a third semiconductor switch, and one end connected to the midpoint of the series body of the first and second semiconductor switches. A first resonance circuit configured by a series circuit of a first heating coil and a first resonance capacitor; one end of the first heating coil and a series body of the third and fourth semiconductor switches; and the other end of the first resonance circuit. A second resonance circuit composed of a series circuit of a second heating coil and a second resonance capacitor connected to the other end of the resonance capacitor, and one end connected to the first resonance circuit and the second resonance circuit And connect the other end to one end of the DC power source. And a switching means that continues, and a control means that controls the operation of the first to fourth semiconductor switches, wherein the control means operates the first and second semiconductor switches alternately, and the third and fourth semiconductor switches. When the semiconductor switches are operated alternately and the first and third semiconductor switches are operated simultaneously and the second and fourth semiconductor switches are operated simultaneously, the switching means is short-circuited, and the first and second semiconductor switches are operated. When the four semiconductor switches are operated simultaneously and the second and third semiconductor switches are operated simultaneously, an induction heating device that opens the switching means is used to generate a current flowing through a plurality of heating coils. Since magnetic fields can be made to interfere with each other, it is possible to use different heating distributions according to the state of use of the equipment. It is possible to realize a user-friendly induction heating device such as.
第2の発明は、特に、第1の発明の切替手段を、電磁開閉器を用いることにより、安価に回路方式の切替を実現することができる。 According to the second aspect of the invention, in particular, switching of the circuit system can be realized at low cost by using the electromagnetic switch as the switching means of the first aspect of the invention.
第3の発明は、特に、第1の発明の切替手段を半導体スイッチを用いることにより、切替の際の耐久性を格段に上げることができるため信頼性の高い誘導加熱装置を実現することができる。 In the third invention, in particular, by using a semiconductor switch as the switching means of the first invention, the durability at the time of switching can be remarkably increased, so that a highly reliable induction heating apparatus can be realized. .
第4の発明は、特に、第1〜3のいずれか1つの発明の第1及び第2の半導体スイッチの少なくとも一方及び第3及び第4の半導体スイッチの少なくとも一方の半導体スイッチに並列にコンデンサを接続することにより、半導体スイッチの損失を少なくしかつスイッチング動作時のノイズを少なくすることができるため、効率が良くノイズの少ない誘導加熱装置を実現することができる。 In particular, the fourth invention provides a capacitor in parallel with at least one of the first and second semiconductor switches of any one of the first to third inventions and at least one semiconductor switch of the third and fourth semiconductor switches. By connecting, the loss of the semiconductor switch can be reduced and the noise during the switching operation can be reduced, so that an induction heating apparatus with high efficiency and low noise can be realized.
第5の発明は、特に、第1〜4のいずれか1つの発明の第1の加熱コイルと第1の共振コンデンサの構成される直列共振回路の共振周波数と第2の加熱コイルと第2の共振コンデンサで構成される直列共振回路の共振周波数を概同一とする請求項1〜4いずれか1項記載の誘導加熱装置とすることにより、第1及び第2の加熱コイル及び第1及び第2の共振コンデンサが直列の接続されフルブリッジ回路として動作する際と、切替手段が短絡状態の際の個別にハーフブリッジ回路を動作させる際に動作状態がほぼ同じとなるため制御回路を共通化できるため安価な構成の誘導加熱装置とすることができる。
In particular, the fifth invention relates to the resonance frequency of the series resonance circuit including the first heating coil and the first resonance capacitor of any one of the first to fourth inventions, the second heating coil, and the second heating coil. The induction heating device according to any one of
第6の発明は、特に、第1〜5のいずれか1つの発明の第1及び第2の切替手段を動作させる際に、一定時間加熱を停止させることにより、第1及び第2の共振コンデンサに貯まった電荷がない状態で切替手段を切り替えることができるため、過電流が切替手段に発生しないため、信頼性の高い誘導加熱装置とすることができる。 In the sixth aspect of the invention, in particular, when the first and second switching means of any one of the first to fifth aspects of the invention are operated, the heating is stopped for a certain period of time, whereby the first and second resonant capacitors Since the switching means can be switched in a state where there is no electric charge stored in the switch, no overcurrent is generated in the switching means, so that a highly reliable induction heating apparatus can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における誘導加熱装置の回路構成図を示すものであ
る。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a circuit configuration diagram of an induction heating apparatus according to a first embodiment of the present invention.
図1において、直流電源1と並列に第1の半導体スイッチ5と第2の半導体スイッチ6の直列体と、第3の半導体スイッチ15と第4の半導体スイッチ16の直列体がそれぞれ接続される。第1の半導体スイッチ5と第2の半導体スイッチ6の中点と第3の半導体スイッチ15と第4の半導体スイッチ16の中点には、第1の加熱コイル3と第1の共振コンデンサ2が直列接続して形成される第1の共振回路9と第2の加熱コイル13と第2の共振コンデンサ12が直列接続して形成される第2の共振回路19の直列回路が接続され、第1の共振回路9と第2の共振回路19の接続点と直流電源1の一端には切替手段4が接続される。
In FIG. 1, a series body of a
第1〜第4の半導体スイッチは制御手段8により、第1の加熱コイル3及び第2の加熱コイル13に磁気的に結合した鍋などの負荷に所定の電力が供給できる様に導通時間及び動作周波数を制御される。本実施の形態では、切替手段4は、リレーなどの電磁開閉器で構成している。
The first to fourth semiconductor switches are operated by the control means 8 so that predetermined power can be supplied to a load such as a pan magnetically coupled to the
なお、第1〜第4の半導体スイッチは、通常IGBTやFETなどの順方向の電流を制御する半導体スイッチと半導体スイッチに対して逆向きの電流を流す逆阻止ダイオードと並列回路で構成されるがこの構成に限定するものではない。 The first to fourth semiconductor switches are usually composed of a semiconductor switch for controlling a forward current such as an IGBT or an FET, a reverse blocking diode for passing a current in the reverse direction to the semiconductor switch, and a parallel circuit. The configuration is not limited to this.
また、第1の半導体スイッチ5と第2の半導体スイッチの6の少なくとも一方と、第3の半導体スイッチ15と第4の半導体スイッチの16の少なくとも一方に第1のスナバコンデンサ7及び第2のスナバコンデンサ17を並列に接続することで、第1〜第4の半導体スイッチがオフ状態になった際の電圧の立ち上がりを緩やかにすることができるためターンオフ時のスイッチング損失を少なくすることができるとともに、半導体スイッチから発生するノイズも低く抑えることができる。
Further, at least one of the
ここで、第1の加熱コイル3及び第2の加熱コイル13が同一の鍋などの負荷を加熱する際に、切替手段4の開閉状態により第1の加熱コイル3と第2の加熱コイル13に流れる電流の向きを変えることができる。
Here, when the
そのため、第1の加熱コイル3と第2の加熱コイル13から発生する磁界の向きを変えることが可能となり、負荷の流れる渦電流の分布が変わることから負荷の加熱状態を変えることができる。
Therefore, the direction of the magnetic field generated from the
以上のように構成された誘導加熱装置について、以下、その動作、作用を説明する。 About the induction heating apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
図2は、本発明の第1の実施の形態における誘導加熱装置の回路動作を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a circuit operation of the induction heating apparatus in the first embodiment of the present invention.
まず、切替手段4がON状態の時を説明する。 First, the case where the switching means 4 is in the ON state will be described.
切替手段4がON状態の時には、第1の半導体スイッチ5と第2の半導体スイッチ6と第1の加熱コイル3及び第2の共振コンデンサ2で構成されるインバータ回路と第3の半導体スイッチ15と第4の半導体スイッチ16と第2の加熱コイル13と第2の共振コンデンサ12で構成されるインバータ回路の二つがある構成となる。
When the switching means 4 is in the ON state, an inverter circuit composed of the
この際、制御手段8は第1の半導体スイッチ5と第3の半導体スイッチ15を同時に動作させる。その結果、第1の半導体スイッチ5から第1の加熱コイル3と第1の共振コンデンサ2の経路と第3の半導体スイッチ15から第2の加熱コイル13と第2の共振コンデンサ12の経路で電流が流れる((A)の状態)。
At this time, the control means 8 operates the
その後、制御手段8は所定の時間を経過した後、全ての半導体スイッチをOFF状態にした後、第2の半導体スイッチ6と第4の半導体スイッチ16をON状態にする。
Thereafter, after a predetermined time has elapsed, the control means 8 turns off all the semiconductor switches and then turns on the
その結果、第1の共振コンデンサ2と第1の加熱コイル3及び第2の半導体スイッチ6の経路と、第2の共振コンデンサ12と第2の加熱コイル13及び第4の半導体スイッチ16の経路で電流が流れる((B)の状態)。その後、制御手段は、所定の時間が経過した後、全ての半導体スイッチをOFF状態にした後、(A)の状態に戻る。
As a result, the path of the first
一方、切替手段4がOFF状態の時を説明する。切替手段4がOFF状態の時には、第1の半導体スイッチ5と第2の半導体スイッチ6と第3の半導体スイッチ15と第4の半導体スイッチ16と、第1の加熱コイル3と第2の共振コンデンサ2と第2の加熱コイル13と第2の共振コンデンサ12で構成されるインバータ回路が構成される。
On the other hand, the case where the switching means 4 is in the OFF state will be described. When the switching means 4 is in the OFF state, the
この際、制御手段8は第1の半導体スイッチ5と第4の半導体スイッチ16を同時に動作させる。その結果、第1の半導体スイッチ5から第1の加熱コイル3、第1の共振コンデンサ2、第2の共振コンデンサ12、第2の加熱コイル13の経路で電流が流れる((C)の状態)。その後、制御手段8は所定の時間を経過した後、全ての半導体スイッチをOFF状態にした後、第2の半導体スイッチ6と第3の半導体スイッチ15をON状態にする。
At this time, the control means 8 operates the
その結果、第1の共振コンデンサ2、第1の加熱コイル3、第2の共振コンデンサ12と第2の加熱コイル13の経路で電流が流れる((D)の状態)。その後、制御手段は、所定の時間が経過した後、全ての半導体スイッチをOFF状態にした後、(C)の状態に戻る。
As a result, a current flows through the path of the
以上のような動作を行うことで、第1の加熱コイル3と第2の加熱コイル13の電流の向きを切替手段4及び第1〜4の半導体スイッチの状態を制御することで、切り替えて動作させることが可能となる。
By performing the operation as described above, the direction of the current of the
すなわち、この電流の方向の切替により、第1の加熱コイル3と第2の加熱コイル13が互いに同方向電流を流すことと、互いに逆向きに電流を流すことができるため、磁界分布の強弱を変えることができ、例えば機器の使用状態により加熱分布を使い分けることができる。
That is, by switching the direction of the current, the
なお、切替手段4にリレーを用いる場合は特にリレーが切り替わる際には、鍋などの負荷へ電力供給を所定時間停止した後、行うことがリレーの信頼性を高める点からも望ましい。 In addition, when using a relay for the switching means 4, especially when switching a relay, it is desirable from the point of improving the reliability of a relay, after stopping electric power supply to loads, such as a pan, for a predetermined time.
また、切替手段4にリレーを用いず半導体スイッチを用いることも可能であり、この構成を取ることで機械的接点の切替手段に比べ、使用回数に対する耐久性が向上するため信頼性を向上することができる。 In addition, it is possible to use a semiconductor switch without using a relay for the switching means 4, and by adopting this configuration, the durability with respect to the number of times of use is improved compared to the mechanical contact switching means, thereby improving the reliability. Can do.
更に、第1の加熱コイル3と第1の共振コンデンサ2で構成される共振回路の共振周波数と第2の加熱コイル13と第2の共振コンデンサ12で構成される共振回路の共振周波数を概同一とすることで、切替手段4の状態がOFFの時にも第1〜第4の半導体スイッチを動作させる動作周波数をほぼ同じにすることができる。また、切替手段4がONの状態の時においては、第1と第2半導体スイッチで構成されるインバータ回路と第3と第4の半導体スイッチで構成されるインバータ回路の動作周波数を同一にすることができる。
Furthermore, the resonance frequency of the resonance circuit composed of the
以上のように、本実施の形態においては、切替手段4の状態により、第1〜第4の半導体スイッチの動作を切替えて動作させることで第1の加熱コイル3と第2の加熱コイル13に流れる電流の向きを切り替えることができ、その結果発生する磁界を互いに干渉させることができるため、機器の使用状態に応じて加熱分布を使い分けることが可能となり、調理メニューにあった加熱分布を実現できるなど使い勝手の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
As described above, in the present embodiment, the
以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、複数の加熱コイルを流れる電流により発生する磁界を互いに干渉させることができるため、機器の使用状態に応じて加熱分布を使い分けることが可能となり、誘導加熱調理器等の用途にも適用できる。 As described above, the induction heating device according to the present invention can interfere with each other the magnetic fields generated by the currents flowing through the plurality of heating coils, so that the heating distribution can be properly used according to the use state of the device. It can also be applied to uses such as induction heating cookers.
1 直流電源
2 第1の共振コンデンサ
3 第1の加熱コイル
4 切替手段
5 第1の半導体スイッチ
6 第2の半導体スイッチ
7 第1のスナバコンデンサ
8 制御手段
9 第1の共振回路
12 第2の共振コンデンサ
13 第2の加熱コイル
15 第3の半導体スイッチ
16 第4の半導体スイッチ
17 第2のスナバコンデンサ
19 第2の共振回路
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