KR102247594B1 - 볼류트 케이싱 및 이를 구비한 회전 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 디퓨져부와, 상기 디퓨져부로부터 나온 유체가 진입하는 볼류트부를 포함하는 회전기계의 볼류트 케이싱에 있어서, 상기 볼류트부의 내벽에는 상기 디퓨져부에서 나오는 반경방향의 상기 유체의 유동을 접선 방향으로 변환시켜주는 복수개의 가이드 베인이 설치되는 볼류트 케이싱 및 이를 구비한 회전 기계를 제공한다.

Description

볼류트 케이싱 및 이를 구비한 회전 기계{Volute casing and rotary machine comprising the same}

본 발명은 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 볼류트 케이싱 및 이를 구비한 회전 기계에 관한 것이다.

유체 등을 압축하는 압축기, 펌프, 송풍기 등은, 일반적으로 내부에 회전체를 구비하는 회전 기계의 구조를 가지고 있다.

일반적으로 그러한 회전 기계는 임펠러(impeller)와 케이싱을 가지고 있다. 그 중 임펠러는 회전체로서 회전 운동에너지를 유체에 전달시켜 유체의 압력을 상승시키도록 구성되며, 이를 위해 임펠러에는 유체의 이동을 돕고 에너지를 유체에 전달하는 다수개의 블레이드(blade)가 배치되어 있다.

임펠러를 통과하는 유체는 디퓨져에 의해서 압력이 증가된다. 이후, 유체는 볼류트에 인입되어 토출될 수 있다. 회전 기계는 사이즈를 감소시키면서 동시에 효율을 증가시키는 것이 중요하다. 공개특허공보 1996-0001494호에는 베인 압축기의 압력 손실을 줄여 압축기의 성능을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

한국공개특허공보 제1996-0001494호

본 발명의 실시예들은 에너지 손실을 최소화하는 볼류트 케이싱 및 이를 구비한 회전 기계를 제공한다.

본 발명의 일 측면은, 디퓨져부와, 상기 디퓨져부로부터 나온 유체가 진입하는 볼류트부를 포함하는 회전기계의 볼류트 케이싱에 있어서, 상기 볼류트부의 내벽에는 상기 디퓨져부에서 나오는 반경방향의 상기 유체의 유동을 접선 방향으로 변환시켜주는 복수개의 가이드 베인이 설치되는 볼류트 케이싱을 제공한다.

또한, 상기 복수개의 가이드 베인은 상기 유체가 상기 볼류트부를 통과하는 방향인 제1 방향으로 크기가 증가하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 가이드 베인들 중 어느 하나의 가이드 베인은 상기 제1 방향으로 단면적의 크기가 증가하도록 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 블레이드를 구비한 임펠러와, 상기 임펠러를 경유한 유체의 압력을 증가시키는 디퓨져부 및 상기 디퓨져부에서 나온 상기 유체가 진입하여 토출부로 토출되는 볼류트부를 포함하고, 상기 볼류트부는 상기 디퓨져부에서 나오는 반경 방향의 상기 유체의 유동을 접선 방향으로 변환시켜 주는 가이드 베인을 구비하는 원심 압축기를 제공한다.

또한, 상기 가이드 베인은 복수개로 상기 볼류트부의 내벽에 설치되고, 상기 복수개의 가이드 베인들은 상기 유체가 상기 볼류트부를 통과하는 방향인 제1 방향으로 크기가 증가하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 가이드 베인들 중 어느 하나의 가이드 베인은 상기 제1 방향으로 단면적의 크기가 증가하도록 설치될 수 있다.

또한, 상기 볼류트부는 상기 제1 방향으로 크기가 증가할 수 있다.

또한, 상기 가이드 베인은 상기 유체의 이동을 안내하는 제1 만곡면과, 상기 제1 만곡면과 대응하도록 형성하는 제2 만곡면 및 상기 제1 만곡면과 상기 제2 만곡면이 만나서 형성하는 단부를 구비할 수 있다.

또한, 상기 볼류트부에 유입되는 상기 유체는 상기 제1 만곡면 또는 상기 제2 만곡면을 따라 상기 토출부로 이동할 수 있다.

또한, 상기 제1 만곡면 또는 상기 제2 만곡면은 오목하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 단부는 상기 임펠러를 향하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 가이드 베인은 적어도 일부가 만곡된 삼각뿔의 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 유체의 이동방향을 반경방향에서 접선방향으로 변환하여, 에너지의 손실을 최소화 할 수 있다. 또한, 가이드 베인의 크기가 변화하는 유체의 유량에 대응하도록 배치하여 유동손실을 최소화하고, 효율을 향상시킬 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.　

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼류트 케이싱을 보여주는 사시도이다.
도 2은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 사시도이다.
도 3는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취한 사시도이다.
도 4는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 볼류트 케이싱을 포함하는 회전 기계를 보여주는 단면도이다.

본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼류트 케이싱(30)을 보여주는 사시도이고, 도 2은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 사시도이며, 도 3는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취한 사시도이다. 도 4는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취한 단면도이다. 도 5는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 볼류트 케이싱(30)을 포함하는 회전 기계(100)를 보여주는 단면도이다.

도 1 내지 도 5를 참고하면, 유체의 유동을 안내하는 볼류트 케이싱(30)과 이를 포함하는 회전 기계(100)를 설명할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계(100)는 유체를 압축하는 원심 압축기로, 크게 임펠러(10), 디퓨져부(20) 및 볼류트부(31)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계는 원심 압축기이나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계는 회전체의 회전 운동에 의해 유체의 압력과 속도를 변화시킬 수 있는 장치이면 해당된다. 예를 들면, 본 발명에 따른 회전 기계는 펌프, 송풍기 등이 될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계(100)가 압축하는 유체는 공기, 가스, 수증기, 액체 등 다양한 유체가 될 수 있다.

임펠러(10)는, 허브(11)와, 허브(11)에 설치된 블레이드(12)를 포함하는데, 허브(11)는 회전축(미도시)에 고정되어 회전축이 회전하면 임펠러(10)도 함께 회전한다.

블레이드(12)는 허브(11)에 복수 개 설치되어 있는데, 블레이드(12)는 유체의 이동을 가이드하는 기능을 수행하면서 임펠러(10)의 회전 운동 에너지를 유체에 전달할 수 있다.

임펠러(10)의 구성은 일반적인 원심 압축기에서 사용 되는 주지/ 관용의 임펠러(10) 기술이 사용될 수 있으므로, 그 상세한 구조 및 배치에 대한 설명은 여기서 생략한다.

디퓨져부(20)는 유체가 이동하는 통로역할을 하는 디퓨져 베인(22)과 디퓨져 베인(22)이 설치되는 백 플레이트(Back Plate,21)로 구비 될 수 있다. 디퓨져부(20)를 통과하는 유체는 압력이 증가할 수 있다.

백 플레이트(21)의 어느 일면에는 디퓨져 베인(22)이 설치될 수 있다. 백 플레이트(21)의 어느 일면에 설치된 디퓨져 베인(22)사이로 압축된 유체가 통과하는 유로가 형성될 수 있다. 백 플레이트(21)는 볼류트 케이싱(30)의 플레이트(34)에 고정될 수 있다.

디퓨져 베인(22) 임펠러(10)에서 유입되는 유량 및 속력에 따라 복수개로 구비 될 수 있다. 디퓨져 베인(22)은 임펠러(10)의 외주면을 따라 배치될 수 있다. 디퓨져 베인(22)은 디퓨져부(20)에서 유출되는 유체가 설정 압력을 형성하기 위해서 일정 각도를 형성할 수 있다.

디퓨져 베인(22)은 디퓨져부(20)로부터 유출되는 유체의 압력을 변경하기 위해서, 디퓨져 베인(22)이 백 플레이트(21)와 결합하는 위치 또는 각도를 변경할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 디퓨져 베인(22)이 백 플레이트(21)에서 고정되어 결합되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.

디퓨져 베인(22)은 백 플레이트(21)와 일체로 형성되어 제작될 수 있다. 또한, 백 플레이트(21)와 디퓨져 베인(22)이 각각 제작된 후, 결합하여 디퓨져부(20)를 형성할 수 있다. 이때, 백 플레이트(220)와 디퓨져 베인(22)은 용접 또는 열박음 공정을 통해서 디퓨져부(20)를 형성할 수 있다.

볼류트 케이싱(30)은 디퓨져부(20)를 통과한 고압의 유체를 토출부(32)로 배출할 수 있다. 볼류트 케이싱(30)은 디퓨져부(20)의 외측에 형성된 볼류트부(31), 볼류트부(31)를 통과한 유체가 토출되는 토출부(32), 임펠러(10)가 삽입되는 개구부(33), 디퓨져부(20)가 설치되는 플레이트(34) 및 볼류트부(31)에 설치되는 가이드 베인(35)을 구비할 수 있다.

볼류트부(31)는 디퓨져부(20)의 외측에 설치되고 디퓨져 베인(22)을 통과한 유체가 유입된다. 유체는 볼류트부(31)의 내부공간을 통과하여 토출부(32)를 향하여 이동한다. 이하, 유체가 토출부(32)를 향하여 이동하는 방향을 제1 방향으로 정의한다.

볼류트부(31)는 제1 방향으로 크기가 증가하도록 형성될 수 있다. 디퓨져부(20)에서 토출된 유체는 볼류트부(31)에서 합류하므로, 제1 방향으로 볼류트부(31)의 크기가 점진적으로 크게 형성될 수 있다.

개구부(33)는 볼류트부(31)에서 일측으로 연장되어 형성되고, 임펠러(10)가 삽입될 수 있다. 개구부(33)는 볼류트부(31)의 상측으로 연장되어 형성되어 임펠러(10)를 설치할 수 있다.

플레이트(34)는 개구부(33)과 대향하도록 설치된다. 플레이트(34)는 볼류트부(31)와 연결되고, 디퓨져부(20)를 고정할 수 있다.

가이드 베인(35)은 볼류트부(31)를 통과하는 유체의 유동방향을 변경할 수 있다. 가이드 베인(35)은 볼류트부(31)의 내벽에 설치되어, 볼류트부(31)를 통과하는 유체와 접촉할 수 있다. 가이드 베인(35)은 적어도 일부가 만곡된 삼각뿔의 형상으로 형성될 수 있다.

가이드 베인(35)은 복수개로 구비되고, 볼류트부(31)의 내벽에 방사형으로 설치될 수 있다. 복수개의 가이드 베인(35)은 상기 제1 방향으로 크기가 증가하도록 설치될 수 있다.

도 2, 도 3 및 도 5를 참조하면, 복수 개의 가이드 베인(35) 중 이웃하도록 배치된 제1 가이드 베인(35a), 제2 가이드 베인(35b) 및 제3 가이드 베인(35c)은 제1 방향을 따라 크기가 증가하도록 형성될 수 있다. 제1 가이드 베인(35a)의 크기는 제2 가이드 베인(35b)의 크기보다 작으며, 제2 가이드 베인(35b)의 크기는 제3 가이드 베인(35c)의 크기보다 작게 형성될 수 있다.

증가된 유량에 대응하여 유체의 이동방향을 변환하기 위해서 복수개의 가이드 베인(35)은 제1 방향 크기가 증가하도록 설치된다. 유체가 제1 방향으로 이동할수록, 볼류트부(31)를 통과하는 단위면적당 유량이 증가한다. 증가된 단위면적당 유량으로 인해 볼류트부(31)에서는 접선방향(F2)의 힘과 반경방향(F1)의 유동에 의해 교란이 발생할 수 있다. 따라서, 증가된 단위면적당 유량에 대응하여 유체의 이동방향을 변환하기 위해서 토출부(32)에 인접한 가이드 베인(35)의 크기가 커지도록 가이드 베인(35)을 배치할 수 있다.

도 4를 참조하면, 복수개의 가이드 베인(35) 중 어느 하나의 가이드 베인(35)은 제1 방향으로 크기가 증가할 수 있다. 어느 하나의 가이드 베인(35)은 유체의 이동방향인 제1 방향으로 단면적의 크기가 증가하도록 설치될 수 있다.

볼류트부(31)를 통과하는 유체는 제1 방향으로 이동하면서 가이드 베인(35)의 표면과 접촉하고, 이웃하는 다른 가이드 베인으로 이동 할 수 있다. 제1 방향으로 가이드 베인(35)의 단면적을 증가하여, 유체의 유동방향을 반경방향(F1)에서 접선방향(F2)으로의 변경할 수 있다.

가이드 베인(35)은 적어도 일부가 만곡되도록 형성될 수 있다. 가이드 베인(35)은 유체의 이동을 안내하는 제1 만곡면(36)과, 제1 만곡면(36)에 대응하는 제2 만곡면(37), 제1 만곡면(36)과 제2 만곡면(37)이 만나서 형성하는 단부(38)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 만곡면(36) 또는 제2 만곡면(37)은 오목하게 형성될 수 있다.

디퓨져부(20)에서 토출된 유체는 제1 만곡면(36) 또는 제2 만곡면(37)을 따라 이동할 수 있다. 유체는 오목하게 형성된 면을 따라 이동하므로, 유체의 이동을 예측하고, 제어할 수 있다. 또한, 가이드 베인(35)이 만곡지도록 형성되어 반경방향(F1)의 유동이 접선방향(F2)로 용이하게 변경할 수 있다.

단부(38)는 임펠러(10)를 향하도록 배치될 수 있다. 도 4를 보면, 단부(38)는 임펠러(10)가 설치되는 개구부(33)를 향하도록 설치된다. 디퓨져부(20)를 통과하는 유체는 반경방향(F1)으로 이동한다. 단부(38)가 상측을 향하도록 배치되면, 접선방향으로 유체의 유동을 가이드 할 수 있다.

디퓨져 베인(22)을 통과한 유체는 제1 만곡면(36)나 제2 만곡면(37)와 접촉한다. 단부(38)가 상측으로 향하면, 제1 만곡면(36) 또는 제2 만곡면(37)은 소정의 경사각이 형성된다. 디퓨져부(20)를 통과하는 유체는 상기 경사각과 부딪히게 되어 유체를 접선방향(F2)으로 효과적으로 안내 할 수 있다.

가이드 베인(35)은 볼류트부(31)의 내벽에서 디퓨져부(20)에서 나오는 반경방향(F1)의 유체의 유동을 접선방향(F2)으로 변환시킬 수 있다. 그리하여, 볼류트부(31)을 통과하는 유체는 반경방향(F1)으로 에너지 손실을 최소화 하면서 F3의 궤적을 따라 이동할 수 있다. (도5 참조)

디퓨져부(20)를 통과하는 유체의 속도는 반경방향(F1)과 접선방향(F2)을 가진다. 반경방향(F1)의 유동은 볼류트부(31)와 부딪치거나, 접선방향(F2)의 유동에 합쳐져 토출부(32)로 토출된다. 이때, 유체는 볼류트부(31) 내부에서 교란 또는 마찰이 발생하여 에너지 손실이 발생할 수 있다.

디퓨져부(20)를 통과한 유체는 제1 만곡면(36) 또는 제2 만곡면(37)와 접촉하게 된다. 접선방향(F2)으로 이동하는 유체는 가이드 베인(35)을 통과하면서 토출부(32)로 토출되나, 반경방향(F1)으로 이동하는 유체는 오목한 표면을 따라 이동하게 되므로, 접선방향(F2)으로 방향이 전환될 수 있다. 즉, 반경방향(F1)의 유동을 손실 없이 접선방향(F2)으로 전환하여 유체는 F3과 같이 이동할 수 있다.(도 5 참조)

디퓨져부(20)를 통과한 유체는 볼류트부(31)로 합류하므로, 제1 방향으로 유체가 이동할수록 유량도 증가한다. 가이드 베인(35)은 유량의 증가에 대응하여 제1 방향으로 크기가 커지도록 배치된다. 즉, 가이드 베인(35)의 크기가 제1 방향으로 증가하도록 형성하여 접선방향(F2)으로의 유동과 반경방향(F1)으로의 유동 사이에서 발생하는 교란을 최소화 할 수 있다.

임펠러(10)를 통과한 유체는 디퓨져부(20)를 통과하여 볼류트부(31)로 진입할 수 있다. 임펠러(10)의 크기는 사용 목적 및 사용 압력에 의해서 정해지며, 볼류트부(31)의 크기는 유량에 의해서 결정된다.

디퓨져부(20)는 임펠러(10)로부터 인입되는 유동을 볼류트부(31)까지 가이드하면서 전압을 정압으로 변환시켜 주는 역할을 한다. 디퓨져부(20)의 크기는 디퓨져부(20)를 통해 볼류트부(31)에 인입되는 유속에 따라 설정될 수 있다.

다만, 디퓨져부(20)에 인입되는 유속이 크면, 볼류트부(31)에서의 손실이 증가한다. 따라서, 종래의 회전 기계(100)는 일정 크기 이상의 디퓨져부(20)를 적용해야 하나, 이러한 경우 회전 기계의 크기가 증가하여 비용이 증가 및 공간 활용성이 저하 된다.

디퓨져부(20)의 길이가 짧을수록, 유체는 상대적으로 반경방향(F1)으로 높은 속도를 가진다. 이러한 유체는 교란 또는 마찰로 인해 큰 에너지 손실이 발생한다.

특히, 반경방향(F1)으로의 유동과 접선방향(F2)의 유동이 교란되면 와류나 진동가 발생하여 회전 기계(100)의 효율을 저하 할 수 있다.

가이드 베인(35)은 유체의 반경방향(F1)으로의 유동을 접선방향(F2)으로의 유동으로 안내할 수 있다. 가이드 베인(35)은 에너지 손실을 최소화 하면서, 접선방향(F2)으로 유동을 유도하여 회전 기계(100)의 효율을 증대할 수 있다.

볼류트 케이싱(30) 및 이를 구비한 회전 기계(100)는 디퓨져부(20)에서 유입되는 유체를 반경방향(F1)에서 접선방향(F2)으로 변환하여, 에너지의 손실을 최소화 할 수 있다.

볼류트 케이싱(30) 및 이를 구비한 회전 기계(100)는 볼류트부(31)를 통과하는 유체의 유량에 대응하도록, 가이드 베인(35)의 크기가 커지도록 배치하여 유동손실을 최소화 할 수 있다.

볼류트 케이싱(30) 및 이를 구비한 회전 기계(100)는 볼류트부(31)에서 발생하는 와류 발생을 최소화 하여, 효율을 향상 시킬 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10: 임펠러
20: 디퓨져부
30: 볼류트 케이싱
31: 볼류트부
32: 토출부
33: 개구부
34: 플레이트
35: 가이드 베인
36: 제1 만곡면
37: 제2 만곡면
38: 단부
100: 회전 기계

Claims (12)

1. 디퓨져부와, 상기 디퓨져부로부터 나온 유체가 진입하는 볼류트부를 포함하는 회전기계의 볼류트 케이싱에 있어서,
   상기 볼류트부의 내벽에는 상기 디퓨져부에서 나오는 반경방향의 상기 유체의 유동을 접선 방향으로 변환시켜주는 복수개의 가이드 베인이 설치되고,
   상기 복수개의 가이드 베인은 상기 유체가 상기 볼류트부를 통과하는 방향인 제1 방향으로 크기가 증가하도록 배치되며,
   상기 복수개의 가이드 베인들 중 어느 하나의 가이드 베인은 상기 제1 방향으로 단면적의 크기가 증가하도록 설치되는, 볼류트 케이싱.
2. 삭제
3. 삭제
4. 블레이드를 구비한 임펠러;
   상기 임펠러를 경유한 유체의 압력을 증가시키는 디퓨져부; 및
   상기 디퓨져부에서 나온 상기 유체가 진입하여 토출부로 토출되는 볼류트부;를 포함하고,
   상기 볼류트부는 상기 디퓨져부에서 나오는 반경 방향의 상기 유체의 유동을 접선 방향으로 변환시켜 주는 가이드 베인을 구비하며,
   상기 가이드 베인은 복수개로 상기 볼류트부의 내벽에 설치되고, 상기 복수개의 가이드 베인들은 상기 유체가 상기 볼류트부를 통과하는 방향인 제1 방향으로 크기가 증가하도록 배치되며,
   상기 복수개의 가이드 베인들 중 어느 하나의 가이드 베인은 상기 제1 방향으로 단면적의 크기가 증가하도록 설치되는, 회전 기계.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제4 항에 있어서,
   상기 볼류트부는 상기 제1 방향으로 크기가 증가하는, 회전 기계.
8. 제4 항에 있어서,
   상기 가이드 베인은,
   상기 유체의 이동을 안내하는 제1 만곡면;
   상기 제1 만곡면과 대응하도록 형성하는 제2 만곡면; 및
   상기 제1 만곡면과 상기 제2 만곡면이 만나서 형성하는 단부;를 구비하는, 회전 기계.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 볼류트부에 유입되는 상기 유체는 상기 제1 만곡면 또는 상기 제2 만곡면을 따라 상기 토출부로 이동하는, 회전 기계.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 만곡면 또는 상기 제2 만곡면은 오목하게 형성된, 회전 기계.
11. 제8 항에 있어서,
    상기 단부는 상기 임펠러를 향하도록 배치되는, 회전 기계.
12. 제4 항에 있어서,
    상기 가이드 베인은 적어도 일부가 만곡된 삼각뿔의 형상으로 형성된, 회전 기계.

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