(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動室と前記作動室に連通する気体導入口とを有するケースと、
前記ケースの前記作動室において回転可能に設けられたシャフトと、
前記ケースにまたは前記ケースと分離して設けられ前記シャフトを回転させるための駆動部と、
前記ケースの前記作動室に設けられ前記シャフトを回転可能に支持する動圧浮力を発生させるための動圧型の気体軸受と、
前記ケースの前記気体導入口に繋がり且つ前記気体導入口から前記ケースの前記作動室に前記気体を導入させ、導入に伴い前記作動室の前記気体の密度を高めて前記気体軸受の前記動圧浮力を高める気体導入部とを具備し、
前記気体導入部は、前記気体を収容するための蓄圧室と、前記蓄圧室の容積を小さくすることにより前記蓄圧室の圧力を増圧させるための可動体とを備えており、前記蓄圧室の前記気体を前記作動室に導入するとき、あるいは、前記蓄圧室の前記気体を前記作動室に導入させるのに支障をきたすように前記蓄圧室の圧力が所定圧力よりも低下するとき、前記蓄圧室の容積が小さくなる方向に前記可動体を移動させることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項２】
請求項１において、前記気体導入部は、前記気体の圧力を蓄圧する蓄圧室と、前記蓄圧室と前記作動室とを連通させ且つ前記蓄圧室に蓄圧された前記気体を前記作動室に供給するための供給通路とを備えていることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記ケースは、前記シャフトの回転に伴い高圧化された前記気体を吐出させる吐出通路を備えており、前記吐出通路は前記蓄圧室に連通していることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記シャフトが停止しているとき、回転している前記シャフトを停止させるとき、回転している前記シャフトの回転速度が第１設定値以下に減速されるときのうちの少なくとも一つにおいて、前記気体導入部は、前記ケースの前記気体導入口から前記作動室内に前記気体を導入することを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記ロータの回転速度が第２設定値以上のとき、前記気体導入部は、前記作動室の前記気体を前記作動室の外方へ導出させ、導出前よりも前記作動室の前記気体の圧力を低下させることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちの一項において、前記シャフトは、前記シャフトに設けられ前記シャフトよりも外径が大きなロータ本体と、前記シャフトに設けられた回転羽根とを備えており、前記回転羽根と前記ケースの前記作動室とを仕切る仕切部材が設けられていることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項７】
請求項６において、前記仕切部材は、前記回転羽根と前記作動室とを分離させるシール部を備えていることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項８】
請求項１〜７のうちの一項において、前記駆動部は、前記シャフトを回転させる回転磁界を発生させるための回転磁界発生部、または、前記シャフトを回転させる機械的回転力を発生させるための機械的回転力発生部であることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項９】
請求項１〜８のうちの一項において、前記動圧型の気体軸受は、前記シャフトのラジアル方向の軸受作用を行うラジアル軸受、および／または、前記シャフトのスラスト方向の軸受作用を行うスラスト軸受であることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちの一項において、前記ケースと前記蓄圧室とは一体的に形成されていることを特徴とする回転シャフト装置。
【請求項１１】
カソード流体が供給されるカソードとアノード流体が供給されるアノードとを有する燃料電池と、前記カソード流体を前記カソードに供給するカソード流体通路と、前記アノード流体を前記アノードに供給するアノード流体通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記カソード流体通路および前記アノード流体通路のうちの少なくとも一方は、前記カソード流体または前記アノード流体を前記燃料電池に搬送する流体搬送要素をもち、
前記流体搬送要素は、
前記作動室と前記作動室に連通する気体導入口とを有するケースと、
前記ケースの前記作動室において回転可能に設けられたシャフトと、
前記ケースにまたは前記ケースと分離して設けられ前記シャフトを回転させるための駆動部と、
前記ケースの前記作動室に設けられ前記シャフトを回転可能に支持する動圧浮力を発生させるための動圧型の気体軸受と、
前記ケースの前記気体導入口に繋がり且つ前記気体導入口から前記ケースの前記作動室に前記気体を導入させて、導入に伴い前記作動室の気体の密度を高めて前記動圧型の気体軸受の動圧浮力を高める気体導入部とを具備し、
前記気体導入部は、前記気体を収容するための蓄圧室と、前記蓄圧室の容積を小さくすることにより前記蓄圧室の圧力を増圧させるための可動体とを備えており、前記蓄圧室の前記気体を前記作動室に導入するとき、あるいは、前記蓄圧室の前記気体を前記作動室に導入させるのに支障をきたすように前記蓄圧室の圧力が所定圧力よりも低下するとき、前記蓄圧室の容積が小さくなる方向に前記可動体を移動させることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動圧型の気体軸受を有する回転シャフト装置、および、回転シャフト装置をもつ燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１には、静圧軸受でシャフトを回転可能に支持する気体軸受装置が開示されている。このものによれば、シャフトを回転可能に支持する複数個の静圧型の軸受とタンクの蓄圧室とを導入配管を介してそれぞれ接続し、各導入配管に電磁弁を設け、各電磁弁を開弁させることにより、蓄圧室の気体を各導入配管を介して複数の静圧型の軸受にそれぞれ供給する。特許文献２には、シャフトを動圧軸受で非接触状態で回転可能に支持しているカークーラコンプレッサが開示されている。
【特許文献１】実開昭６２−１８４２４号公報
【特許文献２】実開昭６０−１７１９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に係る技術によれば、電磁弁を開弁させることにより、蓄圧室の気体を導入配管を介して複数の静圧型の軸受にそれぞれ供給する。電磁弁を閉弁させれば、蓄圧室の気体は導入配管を介して複数の静圧型の軸受に供給されなくなり、静圧型の軸受は軸受機能を発揮させない。このためシャフトの回転中において、静圧型の軸受の軸受機能を連続的に発揮させるためには、電磁弁を常に開弁させ、蓄圧室の気体を導入配管を介して軸受に連続的に供給させなければならず、かなりの電力が必要とされる。更に気体を静圧型の軸受に導入配管により直接供給するため、気流音による騒音が問題となり易い。
【０００４】
特許文献２に係る技術によれば、シャフトを動圧軸受で非接触状態で回転可能に支持している。しかしシャフトの回転が停止しているとき、シャフトは動圧軸受の軸受面に接触する。あるいは、シャフトが回転していたとしてもシャフトの回転速度が低いときには、シャフトの外壁面が動圧軸受の軸受面に接触する頻度が高く、接触によりシャフトおよび動圧軸受の軸受面に損傷が発生するおそれがある。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、シャフトおよび／または動圧軸受に損傷が発生することを抑制するのに有利となる回転シャフト装置および燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）様相１に係る回転シャフト装置は、作動室と作動室に連通する気体導入口とを有するケースと、ケースの作動室において回転可能に設けられたシャフトと、ケースにまたはケースと分離して設けられシャフトを回転させるための駆動部と、ケースの作動室に設けられシャフトを回転可能に支持する動圧浮力を発生させるための動圧型の気体軸受と、ケースの気体導入口に繋がり且つ気体導入口からケースの作動室に気体を導入させ、導入に伴い作動室の気体の密度を高めて気体軸受の動圧浮力を高める気体導入部とを具備していることを特徴とする（請求項１）。
【０００７】
粘性によるエネルギ損失がない理想流体を対象とするベルヌーイの定理によれば、基本的には、１／２・ρ・ｖ２＋ρ・ｇ・ｈ＋Ｐ＝一定が成立する。ここで、ρは流体密度、ｖは流体速度、ｇは重力加速度、ｈは位置高さを示す。１／２・ρ・ｖ２は動圧のエネルギに相当する。ρ・ｇ・ｈは静圧のエネルギに相当する。従って、理想流体であれば、流体速度が高速になれば、基本的には、動圧のエネルギは増加する。
【０００８】
作動室の気体は理想流体に近いものと考えることができ、動圧型の気体軸受により回転可能に支持されているシャフトの回転速度が高くなると、動圧型の気体軸受における気体の速度ｖが増加し、動圧のエネルギが増加し、動圧型の気体軸受において動圧浮力が高くなる。また作動室内における気体の密度ρが高くなると、動圧型の気体軸受においてシャフトを浮上させる動圧浮力が高まる。なお、静圧は基本的には流体速度に影響されない。
【０００９】
このように動圧型の気体軸受では、シャフトが回転せず停止しているときには、動圧は発生しないため、シャフトの外壁面と気体軸受の軸受面とが接触し、動圧型の気体軸受の寿命が短縮されるおそれがある。更に、シャフトが回転していたとしても、シャフトの回転速度が低いときには、動圧型の軸受においては動圧浮力が小さいため、シャフトの外壁面と気体軸受の軸受面とが接触するおそれが高く、同様に、動圧型の気体軸受の寿命が接触により短縮されるおそれがある。
【００１０】
そこで、上記したようにシャフトの外壁面と気体軸受の軸受面とが接触するおそれが高いときには、上記した気体導入部は、気体導入口からケースの作動室に気体を導入させる。従って、作動室の気体の密度が高くなる。このため、シャフトが回転していれば、動圧型の気体軸受においてシャフトを浮上させる動圧浮力が増加する。これにより回転するシャフトを気体軸受の軸受面に対して非接触状態で浮上させ易くなる。よってシャフトに対する気体軸受の性能が向上する。
【００１１】
このようにケースの作動室に気体を導入させることにより、動圧型の気体軸受の動圧浮力を増加させる方式が採用されている。このため、動圧型の気体軸受が複数個、作動室内に設けられているとしても、作動室の気体の圧力を増加させて作動室の気体の密度を高めれば、気体軸受のそれぞれに気体を個別に供給させる供給通路を設けずとも良く、配管構造が簡素化される。
【００１２】
上記した気体導入部は、ケースの気体導入口に繋がり、且つ、ケースの気体導入口からケースの作動室に気体を導入させて作動室の圧力を増圧させるものであれば、何でも良い。気体としては、コスト等を考慮すると、空気が例示されるが、窒素ガス等の不活性ガスでも良い。
【００１３】
上記した気体導入部は、気体を収容するための蓄圧室と、蓄圧室の容積を小さくすることにより蓄圧室の圧力を増圧させるための可動体とを備えており、蓄圧室の気体を作動室に導入するとき、あるいは、蓄圧室の気体を作動室に導入させるのに支障をきたすように蓄圧室の圧力が低下するとき、蓄圧室の容積が小さくなる方向に可動体を移動させることができる（請求項１）。この場合、蓄圧室の容積を小さくする方向に可動体が移動すれば、蓄圧室の圧力を増圧させることができ、蓄圧室から作動室への気体導入を容易に実行することが可能となる。可動体はアクチュエータにより移動される。アクチュエータは特に限定されず、電動型でも流体圧駆動型でも良い。
【００１４】
上記したケースは、作動室と、作動室に連通する気体導入口とを有するものである。気体導入口は、作動室に連通する限り、ケースのどこに形成されていても良い。シャフトは、ケースの作動室において回転可能に設けられている。
【００１５】
上記した駆動部は、シャフトを回転させるものであれば、何でも良い。駆動部は、ケースに設けられているか、または、ケースと分離して設けられている。駆動部は、シャフトを回転させる回転磁界を発生させるための回転磁界発生部、または、シャフトを回転させる機械的回転力を発生させるための機械的回転力発生部であることが好ましい（請求項９）。回転磁界発生部は、回転磁界を発生させるものであれば何でもよく、例えば、ステータと、ステータに取り付けられた巻線部とで形成できる。機械的回転力発生部としては、例えばエンジン、電動モータ、流体モータ（例えば空気圧モータ，油圧モータ）が例示される。
【００１６】
上記した動圧型の気体軸受は、気体の動圧により浮上作用を発揮できるものであれば、何でも良く、例えば、シャフトの外壁面に凹および／または凸を形成することにより形成できる。また、動圧型の気体軸受は、シャフトを支持する軸受面に凹および／または凸を形成することにより形成できる。凹および／または凸は、機械的に形成しても良いし、エッチング等の化学研磨、機械研磨などで形成しても良い。凹および／または凸としては、例えば、スパイラル溝、ステップ溝を形成することにより構成できる。
【００１７】
上記した動圧型の気体軸受は、シャフトのラジアル方向の軸受作用を行うラジアル軸受、および／または、シャフトのスラスト方向の軸受を行うスラスト軸受であることが好ましい。なお、本発明に係る回転シャフト装置の用途としては、回転するシャフトを動圧型の気体軸受で回転可能に支持するものであれば何でも良く、モータや発電等の回転電機、コンプレッサ装置、ブロア装置、ファン装置、機械的回転装置が例示される。
【００１８】
ケースと蓄圧タンクとは一体的に形成されていることが好ましい（請求項１１）。この場合、小型化を図るのに有利となる。また、ケースと蓄圧タンクとは同軸的に形成することができる。この場合、小型化に一層有利となる。ケースの径方向において、ケースと蓄圧室との間に冷媒室を同軸的または非同軸的に並設させることができる。この場合、冷媒室でケースおよび蓄圧室の双方の冷却を図りつつ、小型化に有利となる。
【００１９】
（２）様相２に係る回転シャフト装置によれば、上記した様相において、気体導入部は、気体の圧力を蓄圧する蓄圧室をもつ蓄圧タンクと、蓄圧室と作動室とを連通させ且つ蓄圧室に蓄圧された気体を作動室に供給するための供給通路とを備えていることを特徴とする（請求項２）。本様相によれば、蓄圧室と作動室とが供給通路により連通する。このため、蓄圧室に蓄圧されていた気体を、供給通路を介して、気体導入口からケースの作動室に導入させて作動室の気体の圧力を増圧させることができる。このように作動室の気体の圧力が増圧されると、作動室の気体の密度が高くなるため、前述したよう、動圧型の気体軸受においては、シャフトを浮上させる動圧浮力が高まる。これによりシャフトを軸受面に対して非接触状態で浮上させ易くなり、シャフトに対する軸受性能が向上する。
【００２０】
（３）様相３に係る回転シャフト装置によれば、上記した様相において、ケースは、シャフトの回転に伴い高圧化された気体を吐出させる吐出通路を備えており、吐出通路は蓄圧室に連通していることを特徴とする（請求項３）。蓄圧室の蓄圧を適宜行うことが好ましい。そこで本様相によれば、シャフトの回転に伴い、吐出通路は、作動室内の高圧化された気体を吐出させる。吐出通路は蓄圧室に連通しているため、吐出通路の高圧化された気体の少なくとも一部を蓄圧室に供給し、蓄圧室において蓄圧することができる。この場合、蓄圧室の圧力が低くなっている場合であっても、蓄圧室の圧力および気体質量を高めることができ、気体導入部の気体導入量を増加させることができる。
【００２１】
（４）様相４に係る回転シャフト装置によれば、上記した様相において、シャフトが停止しているとき、回転しているシャフトを停止させるとき、回転しているシャフトの回転速度が第１設定値以下に減速されるときのうちの少なくとも一つにおいて、気体導入部は、ケースの気体導入口から作動室内に気体を導入することを特徴とする（請求項４）。
【００２２】
上記したようにシャフトが停止しているとき、回転しているシャフトを停止させるとき、回転しているシャフトの回転速度が低速で第１設定値以下に減速されるときにおいては、動圧型の気体軸受の動圧浮力が小さいため、シャフトの外壁面が気体軸受の軸受面に物理的に接触する頻度が増加する。この場合、シャフトおよび／または気体軸受の損傷が誘発されるおそれがある。そこで本様相によれば、上記した場合には、気体導入部は、ケースの気体導入口から作動室内に気体を導入する。これにより作動室の気体の圧力および密度を高め、気体軸受の動圧浮力を増加させ、接触を抑制または回避させる。なお、第１設定値は回転シャフト装置の用途、種類などに応じて適宜選択される。
【００２３】
（５）様相５に係る回転シャフト装置によれば、上記した様相において、シャフトの回転速度が第２設定値以上のとき、気体導入部は、作動室の気体を作動室の外方へ導出させ、導出前よりも作動室の圧力を低下させることを特徴とする（請求項５）。シャフトが高速回転してシャフトの回転速度が第２設定値以上になるとき、シャフトの回転に伴い風損が増加する。風損は、基本的には、風速の二乗および作動室の気体の圧力に比例して増加すると言われている。
【００２４】
そこで本様相によれば、シャフトの回転速度が第２設定値以上のとき、気体導入部は、作動室の気体を導出させ、導出前よりも作動室の気体の圧力および密度を低下させる。これにより風損が低減される。この場合、ケースの作動室の気体を外方に導出させる気体導出口がケースに設けられていることが好ましい。気体導出口は、作動室に連通する限り、ケースのうちどこに形成されていても良い。気体導出口は気体導入口と共用されていても良い。なお、第２設定値は、回転シャフト装置の用途、種類、気体の種類などに応じて適宜選択できる。
【００２５】
（６）様相６に係る回転シャフト装置によれば、上記した様相において、シャフトは、シャフトと、シャフトに設けられたシャフトよりも外径が大きなロータ本体と、シャフトに設けられた回転羽根とを備えており、回転羽根とケースの作動室とを仕切る仕切部材が設けられていることを特徴とする（請求項６）。本様相によれば、回転羽根とケースの作動室とが仕切部材により仕切られている。このため、作動室内の圧力の抜けが抑制され、作動室の気体の圧力および密度が維持される。
【００２６】
この場合、仕切部材は、回転羽根と作動室とを分離させるシール部を備えていることが好ましい（請求項７）。シール部は高い気密シール性を有する。このため作動室の気体の圧力および密度が確保される。従って、シャフトの回転に伴い動圧型の気体軸受の動圧浮力を高めることができる。更に、シール部は、回転羽根と作動室とを分離させているため、回転羽根の回転により発生する気体流が作動室の気体軸受の動圧浮力に影響を与えることが抑制される。
【００２７】
（７）様相７に係る燃料電池システムは、カソード流体が供給されるカソードとアノード流体が供給されるアノードとを有する燃料電池と、カソード流体をカソードに供給するカソード流体通路と、アノード流体をアノードに供給するアノード流体通路とを具備する燃料電池システムにおいて、カソード流体通路およびアノード流体通路のうちの少なくとも一方は、カソード流体またはアノード流体を燃料電池に搬送する流体搬送要素をもち、流体搬送要素は、作動室と作動室に連通する気体導入口とを有するケースと、ケースの作動室において回転可能に設けられたシャフトと、シャフトを回転させるための駆動部と、ケースの作動室に設けられシャフトを回転可能に支持する動圧浮力を発生させる動圧型気体軸受と、ケースの気体導入口に繋がり且つ気体導入口からケースの作動室に気体を導入させて、導入に伴い作動室の気体の密度を高めて動圧型気体軸受の動圧浮力を高める気体導入部とを具備し、
前記気体導入部は、前記気体を収容するための蓄圧室と、前記蓄圧室の容積を小さくすることにより前記蓄圧室の圧力を増圧させるための可動体とを備えており、前記蓄圧室の前記気体を前記作動室に導入するとき、あるいは、前記蓄圧室の前記気体を前記作動室に導入させるのに支障をきたすように前記蓄圧室の圧力が所定圧力よりも低下するとき、前記蓄圧室の容積が小さくなる方向に前記可動体を移動させることを特徴とする。
【００２８】
本様相によれば、様相１の場合と同様の作用効果が得られる。即ち、上記した気体導入部は、気体導入口からケースの作動室に気体を導入させて作動室の圧力を増圧し、作動室の気体の密度を高くする。よって、動圧型の気体軸受において、ベルヌーイの定理によれば、シャフトを浮上させる動圧浮力を高めることができる。これによりシャフトを非接触で浮上させ易くなり、シャフトに対する気体軸受の性能が向上する。このようにケースの作動室の全体の圧力を増加させることにより、動圧型の気体軸受における浮力を増加させる方式が採用されている。このため、動圧型の気体軸受が複数個、作動室内に設けられているとしても、気体軸受のそれぞれに気体を個別に供給させる供給通路を設けずとも良く、構造が簡素化される。このような本様相によれば、カソード流体またはアノード流体を燃料電池に搬送する流体搬送要素における動圧型の気体軸受の長寿命化を図り得る。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、上記した気体導入部は、ケースの気体導入口に繋がり、且つ、気体導入口からケースの作動室に気体を導入させて作動室の圧力を増圧する。作動室の圧力が増圧されると、動室の気体の密度が高くなり、動圧型の気体軸受においては、回転しているシャフトを浮上させる動圧浮力が高まる。これにより回転しているシャフトを浮上させ易くなり、シャフトに対する気体軸受の性能が向上する。従ってシャフトの外壁面と動圧型の気体軸受の内壁面とが接触することが抑制される。従って、シャフトの外壁面と動圧型の気体軸受の軸受面とに対する損傷防止性が向上する。
【００３０】
このようにケースの作動室の気体の密度を高めることにより、動圧型の気体軸受の浮力を増加させる方式が採用されている。このため、動圧型の気体軸受が複数個、作動室内に設けられている場合であっても、作動室に収容されている気体の密度を高めれば良い。従って、静圧のみを利用する静圧型の軸受とは異なり、気体軸受のそれぞれに気体を個別に供給させる供給通路を設けずとも良く、配管構造を簡素化することが可能となる。
【００３１】
なお、静圧型の軸受のみが採用されているときには、複数の静圧型の軸受と蓄圧室とを繋ぐ導入配管を、静圧型の軸受の数相当ぶん必要とされる。このため静圧型の軸受が複数個に設けられているときには、導入配管の数もそれだけ増加し、配管構造が複雑となる不具合が発生する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下の実施形態のうち実施形態６が直接的に本発明を説明するものである。他の実施形態は「実施形態」と記載してはいるが、実施形態６（図５）に記載の可動体７０ｐを備えていないことにより直接的には本発明に含まれない。但し、可動体７０ｐを適用することで本発明の実施の理解に役立つ形態であり、参考形態として読み替える。
（実施形態１）
以下、本発明の実施例１について図１〜図３を参照して説明する。図１において、回転シャフト装置は、気体を圧縮させるターボ圧縮機１（ターボブロア）に適用されている。ターボ圧縮機１は、潤滑オイルを使用しないオイルフリー（オイルレス）構造を採用しており、作動室２０と作動室２０に連通する気体導入口２１とを有するケース２と、ケース２の作動室２０において回転可能に設けられシャフト４と、シャフト４を回転させるための駆動部としての回転磁界発生部５と、ケース２の作動室２０に設けられシャフト４を回転可能に支持する動圧浮力を発生させる動圧型の気体軸受６と、ケース２の気体導入口２１に繋がり且つ気体導入口２１からケース２の作動室２０に気体を導入させて作動室２０の気体の圧力を増圧し、増圧に伴い作動室２０の気体の密度を高めて気体軸受６の動圧浮力を高めるための気体導入部７（気体密度増加装置）とを備えている。
【００３３】
なお、後述する気体利用機器８が燃料電池である場合には、気体としては空気が例示される。気体利用機器８が冷凍サイクル装置である場合には、気体としては冷媒ガスが例示される。
【００３４】
図１に示すように、ケース２は、筒形状をなす第１ケース２４と、第１ケース２４に被着された第２ケース２５と、第３ケース２６、第２ケース２５に被着された蓋２７とを備えている。第１ケース２４は第１ボス部２８を有する。第２ケース２５は第２ボス部２９を有する。第３ケース２６は、吸引用の開口３０と、渦巻状をなすスクロール室３１と、スクロール室３１と開口３０とを連通させる円輪状のディフューザ通路３２と、ディフューザ通路３２に連通すると共に高温高圧の気体を吐出させる吐出通路３３とをもつ。ケース２の材質は特に限定されず、金属、硬質樹脂が例示される。吐出通路３３は流体通路３４の上流に連通している。流体通路３４には、流体通路３４を流れる気体を冷却する冷却器３５と、気体利用機器８とが直列に並設されている。冷却器３５の下流に気体利用機器８が配置されている。気体がディフューザ通路３２を通過するとき、気体の運動エネルギが圧力エネルギに変換され、吐出通路３３から高温高圧の気体として吐出される。この場合、気体は冷却器３５で冷却される。気体利用機器８は、吐出通路３３から吐出された気体を利用する機器であれば何でも良いが、例えば燃料電池のスタックとすることができる。燃料電池は、固体高分子形の燃料電池に限らず、固体酸化物型の燃料電池等でもよい。
【００３５】
図１に示すように、ケース２は、気体軸受６を収容する軸受収容室として機能できる作動室２０と、作動室２０に連通する気体導入口２１とを有する。気体導入口２１は、第１ケース２４の下部側に第１ケース２４の壁を貫通するように形成されているが、下部に限定されるものではなく、上部でも、横部でも良い。
【００３６】
図１に示すように、上記した動圧型の気体軸受６は、シャフト４のラジアル方向（径方向）の軸受作用を行う第１ラジアル軸受６１（以下、軸受６１ともいう）と、シャフト４のラジアル方向の軸受作用を行う第２ラジアル軸受６２（以下、軸受６２ともいう）と、シャフト４のスラスト方向（軸長方向）の軸受作用を行うスラスト軸受６５（以下、軸受６５ともいう）とで形成されている。
【００３７】
図１に示すように、ケース２において、軸受連通路６１ｒ，６２ｒが形成されている。軸受連通路６１ｒは、第１ラジアル軸受６１の軸受面と作動室２０とを連通する。軸受連通路６２ｒは、第２ラジアル軸受６２の軸受面と作動室２０とを連通すると共に、スラスト軸受６５の軸受面と作動室２０とを連通する。
【００３８】
第１ラジアル軸受６１は、シャフト４の外壁面および／または軸受面に溝を形成することにより形成されている。シャフト４の外壁面および軸受面は、微小隙間を介して互いに対面する。第２ラジアル軸受６２は、同様に、シャフト４の外壁面および／または軸受面に溝を形成することにより形成されている。シャフト４の外壁面および軸受面は、微小隙間を介して互いに対面する。
【００３９】
図１および図２に示す形態によれば、例えば、シャフト４の外壁面にヘリカル状の溝６ｃ（例えばヘリングボーン（魚の骨））を適数個（複数個）形成することにより、第１ラジアル軸受６１および第２ラジアル軸受６２が構成されている。図１に示すように、スラスト軸受６５は、取付具６５ｋによりシャフト４の端部（羽根４２と反対側の端部）に取り付けられており、シャフト４の鍔部６５ｃに微小隙間を介して対面するスラスト軸受盤６５ａを有する。
【００４０】
図３に示すように、スラスト軸受６５は、シャフト４の一部に形成された径大な鍔部６５ｃの軸端面、スラスト軸受盤６５ａの軸端面および第２ラジアル軸受６２の軸端面のうちの少なくとも一つに動圧発生用の溝６５ｅ（図３参照）を形成することにより形成されている。なお、第１ラジアル軸受６１、第２ラジアル軸受６２、スラスト軸受６５は、硬質材料で形成されたり、硬質の表面処理を施して形成されたり、あるいは、二硫化モリブデン、炭素系等の固体潤滑材を有する形態で形成されていることが好ましい。
【００４１】
本実施形態によれば、回転羽根４２が回転するとき、回転羽根４２のうち開口３０に対面する側と反対側とでは、圧力差が発生する。この場合、スラスト方向の力がシャフト４に発生するため、スラスト軸受６５が必要とされる。
【００４２】
図１に示すように、上記したシャフト４を回転させる駆動部として、シャフト４を回転させる回転磁界を発生させるための回転磁界発生部５が設けられている。回転磁界発生部５は、透磁率が高い軟磁性材料で形成された筒形状をなすステータ５０と、ステータ５０のティース部に巻線を巻き付けることにより形成された励磁用の巻線部５２とで形成されている。ここで、ステータ５０は積層板５１を厚み方向に積層して形成されているが、これに限らず、軟磁性をもつ粉末の集合体をそのままあるいはバインダと共に固結化して形成しても良い。
【００４３】
図１に示すように、シャフト４は横方向に沿って延設されている。ターボ圧縮機１のシャフト４の最大回転速度は、例えば、高速タイプでは１万〜１０万ｒｐｍの範囲内、または低速タイプでは１千〜１万ｒｐｍの範囲内とされている。最大回転速度が高速（１万〜１０万ｒｐｍ）の場合には小型化が可能である。シャフト４の常用回転速度は、例えば、３万〜５万ｒｐｍ程度、または３千〜５千ｒｐｍ程度とされている。これらに限定されるものではない。
【００４４】
シャフト４は、作動室２０に回転可能となるようにシャフト４の軸長方向の中間部に配置されたロータ４０と、シャフト４の先端部に取付具４１で取り付けられた回転羽根４２（遠心翼，インペラ）とをもつ。回転羽根４２は吸引用の開口３０に対面しており、開口３０から吸引した気体を圧縮可能とする。ロータ４０はステータ５０で包囲されている。
【００４５】
上記した気体導入部７は、ケース２の気体導入口２１に繋がり、且つ、気体導入口２１からケース２の作動室２０に気体を導入させて作動室２０の圧力を増圧する機能を有する。シャフト４の回転速度が同じであれば、作動室２０の気体の圧力が増圧されると、作動室２０の気体の密度が高くなり、動圧型の気体軸受６においてはシャフト４を浮上させる動圧浮力が高まる。これにより作動室２０において回転するシャフト４を浮上させ易くなり、シャフト４に対する気体軸受６の性能が向上する。このようにケース２の作動室２０の全体の圧力を増加させることにより、複数個の動圧型の気体軸受６の浮力を増加させる方式が採用されている。このため、動圧型の気体軸受６が複数個、作動室２０内に設けられているとしても、気体軸受６のそれぞれに気体を個別に供給させる供給通路を設けずとも良く、配管構造が簡素化される。なお、作動室２０は密閉性が高い構造が好ましい。即ち、動圧型の気体軸受６１，６２，６５と気体導入口２１とを個別に連通させる配管は、不要とされている。同様に、動圧型の気体軸受６１，６２，６５と蓄圧室７０とを個別に連通させる配管は、不要とされている。
【００４６】
図１に示すように、上記した気体導入部７は、高圧状態の気体を収容するための蓄圧室７０をもつ蓄圧タンク７１と、蓄圧室７０と作動室２０とを連通させ且つ蓄圧室７０に蓄圧された気体を作動室２０に供給するための供給通路７２と、供給通路７２を開閉させるための調圧弁７３とを備えている。調圧弁７３は、通常時には閉弁されており、通電時のみ開弁されるノーマルクローズ方式とされている。従って蓄圧室７０は通常には密閉されている。なお蓄圧室７０から作動室２０に気体を導入させるときには、調圧弁７３は開放される。
【００４７】
図１に示すように、ケース２の吐出通路３３は、流体通路３４および蓄圧通路７４を介して蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に連通している。蓄圧通路７４は、冷却器３５の下流で且つ気体利用機器８の上流に設けられた分岐部３４ｃを介して、流体通路３４から分岐されている。蓄圧通路７４には蓄圧逆止弁７５および蓄圧弁７６が直列に設けられている。蓄圧通路７４において蓄圧逆止弁７５は蓄圧弁７６よりも上流に位置している。蓄圧逆止弁７５は、蓄圧室７０と流体通路３４とを連通させる弁口７５ａと、弁口７５ａを開閉可能な弁体７５ｂと、弁７５ｂ体を閉弁方向に付勢するバネで形成された付勢部７５ｃとをもつ。蓄圧逆止弁７５は、蓄圧室７０の圧力が抜けることを防止する弁であり、通常時には弁口７５ａは閉弁されており、弁口７５ａの入口側の圧力Ｐａが出口側の圧力Ｐｂよりも高くなるとき（厳密には付勢部７５ｃの付勢力も考慮する）、弁口７５ａが自動的に開弁されるノーマルクローズ方式とされている。蓄圧弁７６は電磁弁であり、蓄圧室７０と吐出通路３３との間に設けられており、通常時には閉弁されているノーマルクローズ方式とされている。蓄圧室７０に蓄圧するときには、蓄圧弁７６は開放される。
【００４８】
図１に示すように、作動室２０の気体を排出させる導出通路７７が設けられている。導出通路７７は気体導入口２１から延設されている。導出通路７７には導出弁７８および導出逆止弁７９が設けられている。導出弁７８は電磁弁であり、通常時には閉弁されており、通電時のみ開弁されるノーマルクローズ方式とされている。作動室２０の気体を導出させるときには、導出弁７８は開放される。
【００４９】
作動室２０内の圧力が導出通路７７の下流側よりも高いときには、導出弁７８が開弁されると、作動室２０の気体は、気体導入口２１、導出通路７７、導出弁７８を介して放出される。導出逆止弁７９は、作動室２０に連通する弁口７９ａと、弁口７９ａを開閉可能な弁体７９ｂと、弁体７９ｂを閉弁方向に付勢するバネで形成された付勢部７９ｃとをもつ。導出逆止弁７９は、作動室２０の気体を流体通路３４に排出させる機能と、流体通路３４の気体が作動室２０側に逆流することを抑制する機能とをもつ。導出逆止弁７９は、通常時には弁口７９ａは閉弁されており、弁口７９ａの入口側の圧力Ｐｅが出口側の圧力Ｐｆよりも高くなるとき（厳密には付勢部７９ｃの付勢力も考慮する）、弁口７９ａが開弁されるノーマルクローズ方式とされている。なお、調圧弁７３，蓄圧弁７６，導出弁７８の開弁および閉弁は、制御部７９Ｍにより制御される。
【００５０】
さてターボ圧縮機１の使用について説明を加える。ステータ５０の巻線部５２に励磁電流が流れると、シャフト４の軸芯の回りＰ１を回転する回転磁界が発生する。これによりシャフト４がロータ４０と共に軸芯Ｐ１の回りで回転する。すると、シャフト４に連結されている回転羽根４２が回転し、吸引用の開口３０から気体Ａが吸引される。更に気体Ａはディフューザ通路３２、スクロール室３１を経て吐出通路３３から高温高圧の気体Ｂとして吐出される。気体Ｂは、冷却器３５で冷却された後、流体通路３４を介して気体利用機器８に供給され、気体利用機器８で利用される。気体利用機器８が燃料電池のスタックである場合には、気体Ｂはカソードガスとしてスタックに供給される。スタックにはアノードガスも供給されているため、発電に使用される。
【００５１】
ターボ圧縮機１を起動させる前には、ターボ圧縮機１は停止しており、シャフト４は回転していない。このため、シャフト４の外壁面は、第１ラジアル軸受６１の軸受面、第２ラジアル軸受６２の軸受面、スラスト軸受６５のいずれかの軸受面に接触しているおそれがある。このため停止しているシャフト４を起動させて回転させる初期には、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５は、損傷するおそれが高い。なお、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５は、硬質材料で形成されたり、硬質の表面処理を施して形成されたり、あるいは、二硫化モリブデン、炭素系等の固体潤滑材を有する形態で形成されていることが好ましい。
【００５２】
そこで本実施形態によれば次のように制御される。通常の状態では、弁７８，７３，７６は閉弁されて閉鎖されている。そして、ターボ圧縮機１を起動させる際（起動させる直前を含む）には、弁７８，７６を閉鎖させつつ、制御部７９Ｍは、調圧弁７３を開弁させて開放させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている高圧（例えば作動室２０よりも高圧）の気体を、供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体の圧力を高め、作動室２０の気体の密度を高める。ここで、作動室２０は密閉性が高いため、気体の密度は高く維持される。この結果、ターボ圧縮機１を起動させるとき、上記したベルヌーイの定理によれば、軸受６１，軸受６２，軸受６５における動圧浮力を早期に増加させることができる。従って、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５の長寿命化に有利となる。
【００５３】
これに対して、上記した回転磁界によりシャフト４の回転が増加して高速化すれば、軸受６１，軸受６２，軸受６５において発生する動圧が高くなる。このため、軸受６１，軸受６２，軸受６５における動圧浮力が増加する。このため、シャフト４に対する軸受性能が向上し。シャフト４は非接触状態で回転する。この結果、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における損傷のおそれが低減または回避され、これらの長寿命化を図り得る。
【００５４】
上記したようにシャフト４が高速回転化すれば、前述したように、軸受６１，軸受６２，軸受６５において発生する動圧が高くなり、軸受６１，軸受６２，軸受６５における動圧浮力が増加し、シャフト４に対する軸受性能が向上する。
【００５５】
本実施形態によれば、シャフト４の回転速度が高速となれば、作動室２０の気体の密度を高めずとも、軸受６１，軸受６２，軸受６５における動圧浮力を増加させることができる。このため、調圧弁７３を閉鎖させることにより、蓄圧室７０からの気体の導入操作を停止させる。
【００５６】
即ち、本実施形態によれば、ターボ圧縮機１の種類にもよるが、起動開始から０．３〜２秒程度で、シャフト４の回転数は１万ｒｐｍ〜１０万ｒｐｍと高速回転域に到達し、シャフト４を非接触で支持できるように、軸受６１，軸受６２，軸受６５における動圧浮力を高くできる。このため、起動開始のタイミングから調圧弁７３を開弁させている間の時間（蓄圧室７０の気体を作動室２０に導入させている時間）は、かなり短いものである。ターボ圧縮機１の種類、シャフト４の最高回転速度などにもよるが、せいぜい５秒以内、または２秒以内、シャフト４の回転速度の如何によっては、１００ミリ秒以内、５０ミリ秒以内、更には１０ミリ秒以内とすることもできる。このため蓄圧室７０の圧力を長期にわたり維持するのに有利となる。
【００５７】
更に本実施形態によれば、図１に示すように、回転羽根４２とケース２の作動室２０とが仕切部材３７により仕切られており、作動室２０の密閉性が高められている。このため、作動室２０からの気体流出が抑制され、作動室２０の気体の圧力および密度を高めに維持するのに有利となる。この場合、軸受６１における動圧浮力、軸受６２における動圧浮力、軸受６５における動圧浮力を増加させるのに有利となる。更に図１に示すように、仕切部材３７は、回転羽根４２と作動室２０とを分離させるシール材料で形成されたリング状のシール部３８を備えている。シール部３８はシャフト４の外壁面を同軸的に包囲している。このように回転羽根４２とケース２の作動室２０とがシール部３８で分離されている。シール部３８は、作動室２０の密閉性を高める高い気密シール性を有しており、作動室２０の密閉性を更に高める。このため作動室２０からの気体流出が抑制され、作動室２０の気体の圧力および密度を高めて維持するのに有利となる。従って、前記した動圧型の軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力を一層高めることができる。
【００５８】
上記したように本実施形態によれば、回転羽根４２と作動室２０とを分離させるシール部３８が設けられている。このため、回転羽根４２の回転に伴い気流の影響を軸受６１、軸受６２、軸受６５が受けることが抑制されており、これらの軸受６１，６２，６５における動圧の変動が抑制されている。
【００５９】
ところで、蓄圧室７０の圧力が低くなっている場合がある。この場合、ターボ圧縮機１の回転羽根４２が回転駆動している状態において、制御部７９Ｍが蓄圧弁７６を開弁すれば（一般的には、弁７３，７８が閉弁）、吐出通路３３から吐出される高圧（蓄圧室７０よりも高圧）の気体が蓄圧通路７４、蓄圧逆止弁７５、および蓄圧弁７６を介して蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に供給される。この結果、蓄圧室７０において蓄圧作用が実行される。ここで、蓄圧逆止弁７５の入口側の圧力Ｐａとし、蓄圧逆止弁７５の出口側の圧力Ｐｂとするとき、Ｐａ＞Ｐｂのとき、蓄圧弁７６が開弁すれば、蓄圧通路７４において蓄圧方向（矢印Ｍ１方向）に気体が移動し、蓄圧室７０における蓄圧作用が実行される。
【００６０】
このように蓄圧するときにおいて、シャフト４および回転羽根４２の回転数を上昇させることにより、吐出通路３３から吐出される吐出圧を上昇させれば、圧力Ｐａが増加し、蓄圧室７０に蓄圧される圧力を高くすることができる。この場合、蓄圧室７０による気体導入能力を確保しつつ、小型化を図るのに有利となる。
【００６１】
また、Ｐａ＜Ｐｂの関係であれば、蓄圧逆止弁７５は自動的に閉弁するため、蓄圧通路７４において蓄圧方向（矢印Ｍ１方向）に気体が移動せず、基本的には、蓄圧室７０において蓄圧作用が実行されない。上記したように蓄圧室７０に蓄圧させるときには、冷却器３５で冷却された気体を蓄圧通路７４を介して蓄圧室７０に蓄圧させる。このため作動室２０に供給される気体は冷却済みである。このため、気体が作動室２０に供給されたとしても、軸受６１、軸受６２、軸受６５、ステータ５０、巻線部５２、ロータ４０の永久磁石等の過熱が抑制され、これらに対する保護性を高めることができる。
【００６２】
なお、万一、ターボ圧縮機１の運転中にサージングによる脈動が吐出通路３３側に発生するときであっても、蓄圧弁７６を開弁させれば、サージングによる脈動の影響が蓄圧タンク７１の蓄圧室７０で抑制され、脈動を緩和させることができる。従ってサージングによる脈動の影響が軸受６１、軸受６２、軸受６５等に及ぼすことを抑えつつ、蓄圧室７０をサージング抑制用のタンク室として利用することができる。なおサージングは、シャフト４の回転数、吐出通路３３の圧力によって検知することができる。
【００６３】
なお、蓄圧タンク７１の蓄圧室７０の容積をＶａとする。作動室２０のうちステータ５０、巻線部５２、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５等の要素が占める容積を除いた空洞容積をＶｍとする。本実施形態によれば、Ｖａ＞Ｖｍの関係、Ｖａ＜Ｖｍの関係、Ｖａ／Ｖｍ＝０．８５〜１．１５の関係（Ｖａ＝Ｖｍ，Ｖａ≒Ｖｍ）のうちのいずれに設定しても良い。
【００６４】
Ｖａ＞Ｖｍの関係にあれば、蓄圧タンク７１の容積Ｖａが相対的に大きいため、蓄圧タンク７１に蓄圧されている気体を作動室２０に供給する総流量を増加することができ、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５の損傷回避に貢献できる。また、Ｖａ＜Ｖｍの関係にあれば、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５の損傷回避を図りつつ、蓄圧タンク７１の小型化を図り得る。またＶａ／Ｖｍ＝０．８５〜１．１５の関係にあれば、Ｖａ＝Ｖｍ，Ｖａ≒Ｖｍの関係が得られるため、蓄圧タンク７１の小型化を図りつつ、蓄圧タンク７１に蓄圧されている気体を作動室２０に供給する総流量を確保することができる。
【００６５】
（実施形態２）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。回転しているシャフト４の回転速度が低速であるとき、ベルヌーイの定理によれば、気体の密度が小さくなり、軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力が少ない。このため、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における接触する頻度が高くなり、接触に起因して寿命が短くなるおそれがある。
【００６６】
そこで本実施形態によれば、シャフト４が回転しているにも拘わらず、シャフト４の回転速度が低速であり、第１設定値以下のときには、制御部７９Ｍは調圧弁７３を開弁させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている気体を供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に積極的に導入させる。これによりシャフト４が低速で回転しているとき、作動室２０の気体の圧力および密度を高める。この結果、軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力が早期に増加する。従って、シャフト４の回転速度が低速であるときであっても、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における接触損傷のおそれが低減または回避される。
【００６７】
なお、ターボ圧縮機１の用途、種類、気体の種類などに応じて、上記した第１設定値は適宜設定される。シャフト４の最大回転速度をα［ｒｐｍ］とするとき、第１設定値はα×β［ｒｐｍ］とすることができる。ターボ圧縮機１の用途、種類などに応じて、αは１万〜１０万［ｒｐｍ］、または１千〜１万［ｒｐｍ］が例示される。βの値は適宜選択されるが、０．００１〜０．５の範囲、０．０１〜０．３の範囲、０．０５〜０．２の範囲から適宜選択できる。但し、βの値はこれに限定されるものではない。
【００６８】
（実施形態３）
本実施形態は実施形態１，実施形態２と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。高速で回転しているシャフト４を減速させて停止させるとき、シャフト４の回転速度の減速に伴い、軸受６１における動圧浮力、軸受６２における動圧浮力、軸受６５における動圧浮力が次第に減少する。このため、シャフト４は、軸受６１、軸受６２、軸受６５において接触が発生する頻度が高くなり、接触による損傷が発生するおそれがある。
【００６９】
そこで本実施形態によれば、高速で回転しているシャフト４を減速させて停止させるとき、調圧弁７３を開弁させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている高圧（作動室２０よりも高圧）の気体を、供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体の圧力を高め、作動室２０の気体の密度を高める。
【００７０】
この結果、回転しているターボ圧縮機１を停止させてシャフト４の回転を停止させるとき、軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力を増加させることができる。従って、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における接触、接触に起因する損傷のおそれが低減または回避される。
【００７１】
本実施形態においても、前述同様に、停止しているシャフト４を起動させるとき、調圧弁７３を開弁させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている高圧（作動室２０よりも高圧）の気体を、供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体の圧力を高め、作動室２０の気体の密度を高める。
【００７２】
（実施形態４）
本実施形態は実施形態１〜３と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態においても、シャフト４が回転しているとき、シャフト４の回転速度が高速となれば、軸受６１における動圧浮力、軸受６２における動圧浮力、軸受６５における動圧浮力が増加するため、調圧弁７３を閉鎖し、蓄圧室７０から作動室２０に気体を導入させる操作を停止する。これにより蓄圧室７０の気体の流量を節約する。
【００７３】
本実施形態においても、シャフト４が停止しているときの他に、シャフト４の回転速度が低速で第１設定値以下のときには、調圧弁７３を開弁させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている気体を供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体の圧力を高め、作動室２０の気体の密度を高める。この結果、ターボ圧縮機１を起動させるとき、軸受６１における動圧浮力、軸受６２における動圧浮力、軸受６５における動圧浮力を積極的に増加させることができる。従って、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における接触、接触に基づく損傷のおそれが低減または回避される。
【００７４】
更に、シャフト４が高速回転してシャフト４の回転速度が第２設定値以上になるとき、シャフト４の回転に伴い風損が増加し、その分だけ余分な動力が必要となる。ここで、風損は、基本的に風速の二乗および圧力に比例して増加すると言われている。この点について本実施形態によれば、シャフト４が高速回転してその回転速度が第２設定値以上となるとき、導出弁７８を開弁させる。これにより作動室２０の気体を気体導入口２１から導出通路７７を介して導出させる。これにより作動室２０の気体の圧力を低下させ、作動室２０の気体の密度を低下させる風損低減操作を実施する。この結果、シャフト４の高速回転化に伴う風損が低減される。
【００７５】
なお、ターボ圧縮機１の用途、種類、気体種類などに応じて、上記した第２設定値は適宜設定される。シャフト４の最大回転速度をα［ｒｐｍ］とするとき、第２設定値はα×γ［ｒｐｍ］とすることができる。ターボ圧縮機１の用途、種類などに応じて、βの値は適宜選択されるが、０．３〜０．８の範囲、０．４〜０．７の範囲、０．５〜０．６の範囲から適宜選択できる。但しこれに限定されるものではない。上記した風損低減操作は全ての実施形態に適用できる。
【００７６】
（実施形態５）
図４は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、気体利用機器８は、フロン系等の冷媒を使用する機器（例えば冷凍機器、空調機器）とされている。蓄圧室７０に蓄圧される気体は、フロン系等の冷媒系とされている。従って流体通路３４を流れる流体もフロン系等の冷媒系とされている。従って図４に示すように、導出通路７７の下流の先端７７ｋは流体通路３４に連通している。よって、導出通路７７および流体通路３４は、冷媒を外気に放出させないクローズ系とされており、環境面で有利とされている。
【００７７】
本実施形態においても、ターボ圧縮機１を起動させる際（起動させる直前を含む）には、蓄圧室７０の圧力は作動室２０よりも高く設定されている。このようにターボ圧縮機１を起動させるとき（起動させる直前を含む）、あるいは、シャフト４が回転しているものの、シャフト４の回転速度が低速であるとき、あるいは、高速で回転しているシャフト４を停止させるとき等のいずれか少なくとも一つの段階において、制御部７９は調圧弁７３を開弁させて開放させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている高圧の気体を、供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体の圧力を高め、作動室２０の気体の密度を高める。この結果、ターボ圧縮機１を起動させるとき、軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力を増加させることができる。従って、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における接触低減または回避され、ひいては接触に起因する損傷のおそれが低減または回避される。なお、全ての実施形態において、シャフト４を停止させるときには、気体導入操作を実施することが好ましい。
【００７８】
（実施形態６）
図５は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１〜５と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、気体導入部７は、気体を収容するための蓄圧室７０と、蓄圧室７０の容積を小さくすることにより蓄圧室７０の圧力を増圧させるためのピストン状の可動体７０ｐとを備えている。蓄圧室７０の容積を可変とする方向に、可動体７０ｐはアクチュエータ７０ｍ（例えばモータ、流体圧シリンダ）により前進後退される。
【００７９】
本実施形態によれば、停止しているターボ圧縮機１を起動させるとき（起動させる直前を含む）、あるいは、シャフト４が回転しているものの低速であるとき、あるいは、高速回転しているシャフト４を停止させるときのうちの少なくとも一つの段階においては、シャフト４，軸受６１、軸受６２、軸受６５に接触が発生するおそれがあり、長寿命化には限界がある。
【００８０】
そこで調圧弁７３を開弁させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている気体を、供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体の圧力および気体の密度を高める。この結果、軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力を、気体導入前（調圧弁７３の開弁前）よりも増加させることができる。従って、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における接触が低減または回避される。故に、接触に基づく損傷のおそれが低減または回避される。
【００８１】
蓄圧室７０の圧力が低下したら、必要に応じて、可動体７０ｐを移動させ、蓄圧室７０の容積を小さくする。これにより蓄圧室７０の圧力を増圧させる増圧工程を実施することができる。従って、調圧弁７３を開弁させれば、蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている高圧の気体を供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に導入させる導入操作を速やかに実施することができる。
【００８２】
調圧弁７３を開弁させる導入操作において、蓄圧室７０の容積を小さくする方向に可動体７０ｐを移動させる増圧工程を行い、蓄圧室７０の気体を供給通路７２を介して作動室２０に導入させても良い。
【００８３】
本実施形態においても、シャフト４の回転速度が高速となれば、軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力が増加するため、調圧弁７３を閉鎖させる。更に、蓄圧室７０の容積が増加する方向に可動体７３ｐをアクチュエータ７０ｍにより移動させて蓄圧室７０を減圧させると共に、蓄圧弁７６を開弁させれば、流体通路３４を流れる高圧（蓄圧室７０よりも高圧）の気体が蓄圧通路７４、蓄圧逆止弁７５、蓄圧弁７６を介して蓄圧室７０に供給される。これにより蓄圧室７０の圧力が高圧化される。
【００８４】
（実施形態７）
図６は実施形態７を示す。本実施形態は実施形態１〜６と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、図６に示すように、ケース２は複数の気体導入口２１（２１ｆ，２１ｓ）を有する。気体導入口２１ｆは軸受６２よりも軸受６１に近い。気体導入口２１ｓは軸受６１よりも軸受６２，６５に近い。このため軸受６２における動圧浮力の応答速度と、軸受６２，６５における動圧浮力の応答速度とをできるだけ近づけることができ、シャフト４の回転が円滑となる。本実施形態においても、調圧弁７３が開弁するときには、導出弁７８は閉弁している。
【００８５】
（実施形態８）
図７は実施形態８を示す。本実施形態は実施形態１〜７と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、回転シャフト装置は発電機１Ｅとされている。即ち、ケース２の第３ケース２６は、エンジンの排気ガスが送給される送給通路２６ｍと、中間通路２７ｍと、吐出通路３３ｍとを備えている。図略のエンジンから排出される排気ガスが送給通路２６ｍに供給されると、排気ガスは回転羽根４２を回転させつつ吐出通路３３ｍから排出される。このように排出ガスを駆動源として回転羽根４２がシャフト４およびロータ４０と共に回転する。ロータ４０は永久磁石を有するため、巻線部５２に電流が発生し、電気エネルギが生成される。
【００８６】
本実施形態によれば、発電機を起動させるとき（起動させる直前を含む）、発電機のシャフト４が回転しているものの、回転速度が低いとき、回転駆動している発電機１Ｅを停止させるときのうちの少なくとも一つの段階において、蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている気体を、供給通路７２を介して、気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体の圧力および気体の密度を高める。この結果、エンジンの排気ガスで発電機１Ｅを起動させるとき、軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力を積極的に増加させることができる。従って、上記した段階において、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における接触が低減または回避され、ひいては、接触に起因する損傷のおそれが低減または回避される。なお、発電機のシャフト４の回転速度が高速化すれば、風損を低減させるべく、導出弁７８を開弁させて作動室２０の気体を排出させ、作動室２０の気体の圧力を低下させると共に、作動室２０の気体の密度を低下させる。
【００８７】
（実施形態９）
図８は実施形態９を示す。本実施形態は実施形態１〜８と基本的には同様の構成、作用効果を有する。但し本実施形態によれば、回転シャフト装置は発電機１Ｆとされている。シャフト４の先端部４ｘは、クラッチ９２を介してエンジン９０の駆動軸９１に接続されている。エンジン６０は、シャフト４を機械的に回転させる機械的回転力を発生させるための機械的回転力発生部として機能する。クラッチ９２がシャフト４とエンジン９０の駆動軸９１とを繋いでいる状態のとき、エンジン９０が駆動すると、永久磁石をもつロータ４０と共にシャフト４は軸芯Ｐ１回りで回転する。ロータ４０は永久磁石を有するため、巻線部５２に電流を発生させ、電気エネルギを生成させる。
【００８８】
本実施形態によれば、発電機１Ｆを起動させる際（起動させる直前を含む）、発電機が回転駆動しているものの、シャフト４の回転速度が低いとき、回転駆動している発電機を停止させるときのうちの少なくとも一つの段階において、調圧弁（図略）を開弁させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に蓄圧されている高圧（作動室２０よりも高圧）の気体を、供給通路７２を介して、気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体の圧力を高める。この結果、軸受６１における動圧浮力、軸受６２における動圧浮力、軸受６５における動圧浮力を積極的に増加させる。従って、シャフト４、軸受６１、軸受６２、軸受６５における損傷のおそれが低減または回避される。
【００８９】
（実施形態１０）
図９は実施形態１０を示す。本実施形態は実施形態１〜９と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、第１ケース２４の外周側には、冷媒が流れる冷媒室２７０がリング形状に同軸的に配置されている。蓄圧タンク７１は冷媒室２７０の外周側にリング筒状に配置されており、第１ケース２４の軸芯（シャフト４の軸芯Ｐ１）に対してほぼ同軸的に形成されている。従って、第１ケース２４、冷媒室２７０、蓄圧タンク７１の蓄圧室７０は、リング筒状に配置されており、シャフト４の軸芯Ｐ１に対してほぼ同軸的に形成されている。即ち、図９に示すように、冷媒室２７０は、径方向において蓄圧室７０と作動室２０とで挟まれている。
【００９０】
冷媒（冷却水などの冷却液、冷却用空気）が冷媒室２７０に流れると、第１ケース２４の作動室２０内のステータ５０および巻線部５２を積極的に冷却でき、ステータ５０および巻線部５２のモータ効率を高めることができる。更に、冷媒室２７０は蓄圧室７０の気体を積極的に冷却でき、蓄圧室７０に蓄積する気体質量を増加させることができる。このように蓄圧室７０の気体が冷却されるため、蓄圧室７０の気体を作動室２０に供給するとき、作動室２０におけるロータ４０等の永久磁石、ステータ５０および巻線部５２の過熱が抑制される。更に本実施形態によれば、ケース２と蓄圧室７０と冷媒室２７０とが同軸的に一体に形成されているため、小型化に有利となる。なお、ケース２と蓄圧室７０とが非同軸型で一体に形成されている場合でもよい。ケース２と冷媒室２７０が非同軸型で一体に形成されている場合でもよい。更に冷媒室２７０が設けられていない場合でも良い。
【００９１】
（実施形態１１）
図１０は実施形態１１を示す。本実施形態は実施形態１〜１０と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、図１０に示すように、気体導入部７は、気体を収容するための気体収容室として機能する蓄圧室７０と、蓄圧室７０の容積を可変とすることにより蓄圧室７０の圧力を調圧するためのピストン状の可動体７０ｐと、可動体７０ｐで仕切られた大気連通室７０ｗとを備えている。蓄圧室７０の容積を可変とする方向に、可動体７０ｐはアクチュエータ７０ｍ（例えばモータ、流体圧シリンダ）により前進後退される。可動体７０ｐには大気連通孔７０ｕと、大気連通孔７０ｕを開閉する弁７０ｓとが設けられている。
【００９２】
本実施形態によれば、図１０から理解できるように、軸受６１、軸受６２、軸受６５における動圧浮力を高めるとき（動圧型の気体軸受における接触を低減または回避させるとき）には、蓄圧室７０の容積を小さくする方向に、アクチュエータ７０ｍは可動体７０ｐを矢印Ｆ１方向に前進させる。これにより蓄圧タンク７１の蓄圧室７０の気体を、供給通路７２を介して気体導入口２１から作動室２０に導入させる。これにより作動室２０の気体（一般的には空気）の圧力および密度を高める。この場合、蓄圧室７０の圧力は大気連通室７０ｗの圧力よりも増圧されるため、弁７０ｓは矢印Ｓ１方向に閉鎖し、大気連通孔７０ｕは閉鎖される。この場合蓄圧室７０の圧力が維持される。
【００９３】
これに対して、シャフト４の回転数が増加して中速回転または高速回転となったら、蓄圧室７０の容積を増加させる方向に、アクチュエータ７０ｍは可動体７０ｐを矢印Ｆ２方向に後退させる。これにより蓄圧室７０を減圧し、作動室２０の気体を供給通路７２を介して蓄圧タンク７１の蓄圧室７０に戻すと共に、作動室２０の気体の圧力および密度を低下させ、風損を低減させる。この場合、蓄圧室７０は減圧されるため、蓄圧室７０の圧力よりも大気連通室７０ｗの圧力が高くなり、弁７０ｓは矢印Ｓ２方向に開放し、大気連通孔７０ｕは開放され、大気室７０ｗから大気（気体）が蓄圧室７０に流入する。なお、供給通路７２には調圧弁を設けても良いし、設けずとも良い。
【００９４】
（実施形態１２）
図１１は実施形態１２を示す。本実施形態は実施形態１〜９と基本的には同様の構成、作用効果を有する。燃料電池システムは、カソード流体が供給されるカソード１０１とアノード流体が供給されるアノード１０２とを有する燃料電池のスタック１００と、カソード流体をカソード１０１に供給するカソード流体通路２０１と、アノード流体をアノードに供給するアノード流体通路２０４と、カソード１０１からカソードオフ流体を排出するカソードオフ流体通路２０２と、アノード１０２からアノードオフ流体を排出するアノードオフ流体通路２０５とをもつ。カソード流体通路２０１は第１開閉弁３０１をもつ。カソードオフ流体通路２０２は第２開閉弁３０２をもつ。アノード流体通路２０４は第３開閉弁３０３をもつ。アノードオフ流体通路２０５は第４開閉弁３０４をもつ。
【００９５】
ガス状のカソード流体（空気等）がカソード１０１に供給されると共に、アノード流体がアノード１０２に供給されると、スタック１００が発電運転する。カソード流体通路２０１は、ガス状のカソード流体を燃料電池のスタック１００のカソード１０１に搬送する流体搬送要素を構成するターボ圧縮機１で形成されている。前述したように、ターボ圧縮機１の軸受は長寿命化が図られているため、燃料電池システムの長寿命化に貢献できる。ターボ圧縮機１はオイルレスタイプであるため、潤滑オイルが羽根４２側に吸引されることが抑制される。故に、潤滑オイルが吐出通路３３を介してスタック１００側に供給されることが抑制される。スタック１００の長寿命化にも貢献できる。
【００９６】
図１１に示すように、スタック１００は、スタック１００を冷却させる冷却通路１０５をもつ。冷却通路１０５は、冷媒往路１０７と冷媒復路１０８と連通する。冷媒往路１０７は流量調整弁３０５をもつ。冷媒復路１０８は流量調整弁３０５をもつ。流量調整弁３０５および流量調整弁３０６が開弁すると共に、ポンプ３０７が駆動すると、冷却水等の冷却液に代表される冷媒が冷媒往路１０７、スタック１００の冷却通路１０５、冷媒復路１０８の順に流れ、更に、ターボ圧縮機１の冷媒室２７０に流れ、ターボ圧縮機１を冷却させることができる。なお、ターボ圧縮機１の冷媒室２７０を流した冷媒をスタック１００の冷却通路１０５に流すことにしても良い。
【００９７】
（他の実施形態）
・上記した動圧型の気体軸受６は、軸受６１、軸受６２、軸受６５の全部が動圧型の気体軸受とされているが、これに限らず、軸受６１、軸受６２、軸受６５のうちの少なくとも一つまたは２つが動圧型の軸受であり、残りが静圧型の軸受、あるいは、通常の接触型のベアリング軸受、すべり軸受とすることもできる。例えば、軸受６１、軸受６２が動圧型であるものの、軸受６５は静圧型の軸受、あるいは、通常の接触型のベアリング軸受、すべり軸受とすることもできる。軸受６１、軸受６２、軸受６５は共通の作動室２０に収容されているが、軸受６１、軸受６２、軸受６５は、個別の作動室に収容されていても良い。
【００９８】
仕切部材３７にはシール部３８が設けられているものの、作動室２０の気体の密閉性がある程度確保できる限り、シール部３８を廃止し、仕切部材３７のみとしても良い。回転羽根４２は遠心翼に限定されず、他の翼構造でも良い。作動室２０の気体、蓄圧室７０の気体は空気に限らず、空調用冷媒ガス、窒素ガス、アルゴンガスでも良い。冷却器３５は必要に応じて設けるものであり、廃止されていても良い。シャフト４は横方向に沿っているが、縦方向に沿っていても、斜め方向に沿っていても良い。羽根４２は遠心翼に限定されず、何でも良い。図１２に示すように、シャフト４の一部に形成された径大な鍔部６５ｃおよび／またはスラスト軸受盤６５ａに動圧発生用のステップ溝を形成しても良い。
【００９９】
各実施形態特有の構造または機能を他の実施形態に適用しても良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。ある実施形態に特有の構造および機能は他の実施形態についても適用できる。上記した記載から次の技術的思想も把握される。
［付記項１］作動室と前記作動室に連通する気体導入口とを有するケースと、ケースの作動室において回転可能に設けられ永久磁石をもつロータをもつシャフトと、ケースの作動室に設けられたステータと、ステータに巻回され回転磁界を発生させる巻線部と、ケースの作動室に設けられシャフトを回転可能に支持する動圧浮力を発生させる動圧型の気体軸受と、ケースの気体導入口に繋がり且つ気体導入口からケースの作動室に気体を導入させて作動室の圧力を増圧し、増圧に伴い気体軸受の動圧浮力を高める気体導入部とを具備していることを特徴とする圧縮機等の送風装置。気体軸受の長寿命化を図り得る。
［付記項２］作動室と作動室に連通する気体導入口とを有するケースと、ケースの作動室において回転可能に設けられシャフトと、シャフトを回転させるための駆動部と、前記ケースの前記作動室に設けられシャフトを回転可能に支持する動圧浮力を発生させる動圧型の気体軸受と、ケースの気体導入口に繋がり且つ気体導入口からケースの作動室に前記気体を導入させて作動室の圧力を増圧し、増圧に伴い気体軸受の動圧浮力を高める気体導入部とを具備していることを特徴とする発電機。気体軸受の長寿命化を図り得る。
［付記項３］作動室と前記作動室に連通する気体導入口とを有するケースと、前記ケースの前記作動室において回転可能に設けられたシャフトと、前記ケースにまたは前記ケースと分離して設けられ前記シャフトを回転させるための駆動部と、前記ケースの前記作動室に設けられ前記シャフトを回転可能に支持する動圧浮力を発生させるための動圧型の気体軸受と、前記ケースの前記気体導入口に繋がり且つ前記気体導入口から前記ケースの前記作動室に前記気体を導入させ、導入に伴い前記作動室の気体の密度を高めて前記気体軸受の前記動圧浮力を高める密度増加装置とを具備していることを特徴とする回転シャフト装置。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明はターボ圧縮機等の圧縮機、発電機等のシャフト装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】実施形態１に係り、回転シャフト装置を備えるシステム図である。
【図２】実施形態１に係り、ラジアル軸受の要部を示す断面図である。
【図３】実施形態１に係り、スラスト軸受の要部を示す端面図である。
【図４】実施形態５に係り、回転シャフト装置を備えるシステム図である。
【図５】実施形態６に係り、回転シャフト装置を備えるシステム図である。
【図６】実施形態７に係り、回転シャフト装置を備えるシステム図である。
【図７】実施形態８に係り、回転シャフト装置を示す断面図である。
【図８】実施形態９に係り、回転シャフト装置を示す断面図である。
【図９】実施形態１０に係り、回転シャフト装置を備えるシステム図である。
【図１０】実施形態１１に係り、回転シャフト装置を備えるシステム図である。
【図１１】実施形態１２に係り、回転シャフト装置を備える燃料電池システム図である。
【図１２】他の形態に係り、動圧発生用のステップ溝を形成した状態を示す構成図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１はターボ圧縮機（回転シャフト装置）、１Ｅは発電機（回転シャフト装置）、２はケース、２０は作動室、２１は気体導入口、３０は開口、３１はスクロール室、３３は吐出通路、４はシャフト、４０はロータ、３４は流体通路、３５は冷却器、３７は仕切部材、３８はシール部、４２は回転羽根、５は回転磁界発生部（駆動部）、５０はステータ、５２は巻線部、６は気体軸受、６１は第１ラジアル軸受、６２は第２ラジアル軸受、６５はスラスト軸受、７は気体導入部、７０は蓄圧室、７１は蓄圧タンク、７２は供給通路、７３は調圧弁、７４は蓄圧通路、７０ｐは可動体、７０ｍはアクチュエータ、７６は蓄圧弁、７７は導出通路、７８は導出弁、８は気体利用機器、９０はエンジン（機械的回転力発生部）、９１は駆動軸を示す。
【図１】
0005056432.tif 000002
【図２】
0005056432.tif 000003
【図３】
0005056432.tif 000004
【図４】
0005056432.tif 000005
【図５】
0005056432.tif 000006
【図６】
0005056432.tif 000007
【図７】
0005056432.tif 000008
【図８】
0005056432.tif 000009
【図９】
0005056432.tif 000010
【図１０】
0005056432.tif 000011
【図１１】
0005056432.tif 000012
【図１２】
0005056432.tif 000013