WO2014020770A1

WO2014020770A1 - タービンコンプレッサー装置、タービンコンプレッサーシステムおよび航空機用換気システム

Info

Publication number: WO2014020770A1
Application number: PCT/JP2012/069905
Authority: WO
Inventors: 斎藤　英文
Original assignee: 株式会社島津製作所
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2014-02-06

Abstract

　このタービンコンプレッサー装置（１）は、回転翼部（１０）と、回転翼部と一体的に回転するロータ（２１）と、ロータを回転させる巻線（２２ｂ）とを備える。回転翼部は、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成されている。タービンコンプレッサー装置は、圧縮モード時には、巻線とロータとがモータとして動作され、膨張モード時には、巻線とロータとが発電機として動作されるように構成されている。

Description

タービンコンプレッサー装置、タービンコンプレッサーシステムおよび航空機用換気システム

　本発明は、タービンコンプレッサー装置、タービンコンプレッサーシステムおよび航空機用換気システムに関する。

　従来、作動流体としてガス（空気）を用いるタービンコンプレッサー装置が知られている。このようなタービンコンプレッサー装置は、たとえば、特開２００９－１８７７５５号公報に開示されている。

　上記特開２００９－１８７７５５号公報には、航空機の補助動力装置（ＡＰＵ）に用いられるガスタービン（タービンコンプレッサー装置）が開示されている。ガスタービンは、各々が回転軸に結合されたコンプレッサーと、タービンと、回転電機とを含んでいる。コンプレッサーとタービンとは、燃焼器を介して流体的に接続されている。回転電機は、モータとして機能することによりガスタービンを始動させる一方、ガスタービン始動後には発電機として機能する。回転電機（モータ）がコンプレッサーを駆動すると、取り込まれた外気が圧縮されて燃焼器に供給され、燃焼器において圧縮空気とジェット燃料とを燃焼させて発生した燃焼ガスがタービンに供給される。これにより、タービンが回転駆動してコンプレッサーを駆動し、回転電機の動力なしにコンプレッサーからタービンに至るガスの供給が継続する。この結果、ガスタービンが継続的に駆動するとともに、タービンの回転駆動に伴って回転電機（発電機）が発電を行う。このように、上記特開２００９－１８７７５５号公報では、ガスタービンの始動時に回転電機をモータとして駆動することにより、コンプレッサーから圧縮空気を生成し、ガスタービンの始動後は、タービンにより回転駆動される回転電機を発電機として機能させ、発電を行っている。

特開２００９－１８７７５５号公報

　しかしながら、上記特開２００９－１８７７５５号公報に開示されたガスタービン（タービンコンプレッサー装置）では、回転電機をモータとして駆動することにより、コンプレッサーから圧縮空気を生成し、タービンにより回転駆動される回転電機を発電機として機能させているため、コンプレッサーとタービンとの両方を設ける必要がある。この場合、コンプレッサーとタービンとを結ぶ流路が構成され、その間での熱の受け渡しの有無に限らず、空気はこれらの構成機器を一巡する。このため、運用の形態によっては、必要のない構成品が具備され、装置構成が複雑化したり、装置が大型化して装置重量が増大するという問題点がある。あるいは、一つの構成機器で圧縮のみ・膨張のみのいずれかを交互に限定して運用を行おうとする場合には、その運用に必要な部位のみを作動させることができなかった。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、限定した運用に対応するように装置構成を簡素化して、装置の小型化および装置重量の軽量化を図ることが可能なタービンコンプレッサー装置、タービンコンプレッサーシステムおよび航空機用換気システムを提供することである。

　上記目的を達成するために、この発明の第１の局面におけるタービンコンプレッサー装置は、回転翼部と、回転翼部と一体的に回転するロータと、ロータを回転させる巻線とを備え、回転翼部は、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成されており、圧縮モード時には、巻線とロータとがモータとして動作され、膨張モード時には、巻線とロータとが発電機として動作されるように構成されている。

　この発明の第１の局面によるタービンコンプレッサー装置では、上記のように、回転翼部を、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成し、圧縮モード時には、巻線とロータとがモータとして動作され、膨張モード時には、巻線とロータとが発電機として動作されるように構成することによって、１つの回転翼部によって、圧縮モード時にはモータ駆動により圧縮空気を生成し、膨張モード時には発電機を駆動するための軸動力を発生させることができる。これにより、コンプレッサーとしての圧縮翼と、タービンとしての膨張翼とを個別に設けることなく、圧縮空気の生成と軸動力の発生とを切り替えて行うことができるので、限定した運用に対応するように装置構成を簡素化して、装置の小型化および装置重量の軽量化を図ることができる。

　上記第１の局面によるタービンコンプレッサー装置において、好ましくは、回転翼部は、圧縮モードと膨張モードとで回転方向を変えることにより圧縮モードと膨張モードとの両方で動作可能な遠心翼車を含む。ここで、圧縮モードを考えた場合、遠心翼車は入口部（インデューサー）において軸方向の流れを旋回させ、円滑に放射状翼に導入するために、回転方向へ前傾させた翼形状とするのが望ましい。一方、膨張モードを考えた場合、遠心翼車は出口部（エクスデューサー）において旋回した流れを軸方向に向けるために、回転方向に対して後傾させた翼形状とするのが望ましい。このため、圧縮モードと膨張モードとで回転方向を変える遠心翼車を設けることによって、圧縮モードにおける入口部形状と、膨張モードにおける出口部形状とを、いずれも望ましい翼形状にすることができる。

　この場合、好ましくは、圧縮モード時には、遠心翼車から排出される圧縮された空気を減速させやすい第１位置に位置し、膨張モード時には、遠心翼車に向かう膨張前空気を遠心翼車に適切な角度で流入させる第２位置に位置するように移動される可動ベーンをさらに備える。このように構成すれば、圧縮モード時には、可動ベーンを第１位置に位置させることにより、速度エネルギーを圧力に変換して送り出すためのディフーザとして可動ベーンを有効に機能させ、膨張モード時には、可動ベーンを第２位置に位置させることにより、圧力を速度エネルギーに変換して送り込むためのノズルとして可動ベーンを有効に機能させることができる。

　上記第１の局面によるタービンコンプレッサー装置において、好ましくは、ロータは、永久磁石を含み、永久磁石を含むロータと、巻線とは、圧縮モード時に、同期モータとして動作されるように構成されている。このように構成すれば、回転界磁式の同期モータにより、圧縮モード時のタービンコンプレッサー装置を高効率な電動コンプレッサーとして機能させることができる。

　この発明の第２の局面におけるタービンコンプレッサーシステムは、回転翼部と、回転翼部と一体的に回転するロータと、ロータを回転させる巻線とを備え、回転翼部は、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成されており、圧縮モード時には、巻線とロータとがモータとして動作され、膨張モード時には、巻線とロータとが発電機として動作されるように構成されている、タービンコンプレッサー装置を備える。

　この発明の第２の局面によるタービンコンプレッサーシステムでは、上記のように、回転翼部を、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成し、圧縮モード時には、巻線とロータとがモータとして動作され、膨張モード時には、巻線とロータとが発電機として動作されるようにタービンコンプレッサー装置を構成することによって、１つの回転翼部によって、圧縮モード時にはモータ駆動により圧縮空気を生成し、膨張モード時には発電機を駆動するための軸動力を発生させることができる。これにより、コンプレッサーとしての圧縮翼と、タービンとしての膨張翼とを個別に設けることなく、圧縮空気の生成と軸動力の発生とを切り替えて行うことができるので、限定した運用に対応するように装置構成を簡素化して、装置の小型化および装置重量の軽量化を図ることが可能なタービンコンプレッサーシステムを得ることができる。

　上記第２の局面によるタービンコンプレッサーシステムにおいて、好ましくは、回転翼部に膨張前空気を供給するとともに回転翼部から圧縮空気を排出するための空気流路に設けられ、圧縮モード時に、回転翼部により圧縮された空気に熱エネルギーを付与するか、または、膨張モード時に、回転翼部に供給される膨張前空気に熱エネルギーを付与するかの少なくともいずれか一方の熱エネルギー付与動作を行う昇温ユニットをさらに備える。このように構成すれば、圧縮モードでは昇温ユニットによって圧縮空気温度をさらに上昇させて圧縮空気のエネルギー量を増加させることができるので、圧縮空気を利用する部位で高い能力を得ることができる。また、膨張モードでは昇温ユニットによって膨張前の空気温度を上昇させて膨張前空気のエネルギー量を増加させることができるので、タービンコンプレッサー装置での発電量を増加させることができる。

　この場合、好ましくは、タービンコンプレッサー装置および昇温ユニットは、航空機に搭載されており、圧縮モード時には、タービンコンプレッサー装置により圧縮された空気を昇温ユニットにより昇温してエンジンスタータータービンに供給し、膨張モード時には、メインエンジン始動後にメインエンジンから抽出される圧縮空気を昇温ユニットにより昇温して膨張前空気としてタービンコンプレッサー装置に供給するように構成されている。このように構成すれば、圧縮モードによって、大量の圧縮空気が必要なメインエンジン始動時における始動用圧縮空気の供給を行い、メインエンジン始動後には、膨張モードによって、メインエンジンのコンプレッサー部分からの抽気（圧縮空気）を用いた発電を行うことができる。これにより、圧縮モードによる始動用圧縮空気の供給と、膨張モードによるエンジン抽気を用いた発電とを同一のタービンコンプレッサー装置により行うことができるので、複数の装置、または、圧縮翼と膨張翼とを個別に備えたタービンコンプレッサー装置を設ける必要がない。この結果、重量制限の厳しい航空機において搭載機器であるタービンコンプレッサー装置を軽量化することができ、燃料消費削減や機体の性能向上を図ることができる。

　上記タービンコンプレッサー装置および昇温ユニットが航空機に搭載される構成において、好ましくは、航空機に搭載された昇温ユニットは、圧縮モード時に、回転翼部により圧縮された空気に熱エネルギーを付与するとともに、膨張モード時に、回転翼部に供給される膨張前空気に熱エネルギーを付与する燃焼方式または燃料電池方式の昇温部と、膨張モード時に膨張後の高温空気との熱交換によりメインエンジンから抽出される圧縮空気に熱を付与して昇温部に供給する第１熱交換器とを含む。このように構成すれば、圧縮モードおよび膨張モードの両方において、昇温部により空気（圧縮空気または膨張前空気）に熱エネルギーを付与することができる。また、膨張モード時には、第１熱交換器により膨張後の高温空気の熱をエンジン抽気に付与することによって、膨張後の高温空気の廃熱を回収することが可能な効率的なタービンコンプレッサーシステムを得ることができる。ここで、昇温部は、燃焼方式の場合、たとえば流路にバーナーを具備した燃焼器を組込み燃料を燃焼させる。この結果、燃料の燃焼によって圧縮空気（または膨張前空気）に大きな熱エネルギーを付与することができる。また、昇温部は、燃料電池方式の場合には、たとえば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いて、タービンコンプレッサー装置と燃料電池とのいわゆるハイブリッド発電装置を構成する。この結果、燃料電池による発電と、燃料電池の高温排気を用いた圧縮空気（または膨張前空気）への熱エネルギーの付与とを行うことができる。

　上記第２の局面によるタービンコンプレッサーシステムにおいて、好ましくは、回転翼部に膨張前空気を供給するとともに回転翼部から圧縮空気を排出するための空気流路に設けられ、圧縮モード時に、回転翼部から排出された温度上昇された圧縮空気が通過することにより蓄熱を行うとともに、膨張モード時に、回転翼部に供給される膨張前空気を予熱する蓄熱ユニットをさらに備える。このように構成すれば、圧縮モード時における圧縮空気の温度上昇分を蓄熱ユニットにより蓄熱し、膨張モード時において膨張前空気を予熱することによって、エネルギーの有効利用を図ることができる。これにより、タービンコンプレッサーシステムのエネルギー効率を向上させることができる。この蓄熱ユニットを具備する形態の場合は、好ましくは、タービンコンプレッサー装置および昇温ユニットは、地上に設置されエネルギーを蓄えるシステムに利用される。

　上記第２の局面によるタービンコンプレッサーシステムにおいて、好ましくは、回転翼部に膨張前空気を供給するとともに回転翼部から圧縮空気を排出するための空気流路につながるように設けられ、圧縮モード時に、回転翼部から排出された圧縮空気を貯蔵するとともに、膨張モード時に、貯蔵した圧縮空気を回転翼部に供給する圧縮空気貯蔵部をさらに備える。このように構成すれば、圧縮空気貯蔵部により、圧縮モード時における圧縮空気の生成と、膨張モード時における圧縮空気の利用（発電）とを、異なる時点で個別に行うことができる。ここで、一般に電力需要には変動があり、電力需要のピーク時には電力供給能力を高める必要がある一方、オフピーク時は電力供給が過剰になる。そこで、オフピーク時に圧縮空気を生成し貯蔵しておき、ピーク時には貯蔵した圧縮空気を利用して発電を行うことによって、圧縮空気を用いた発電電力により電力需要の一部または全部を賄う、いわゆるピークシフト（またはピークカット）動作が可能な電力変換システムとして、タービンコンプレッサーシステムを構成することができる。

　上記第２の局面によるタービンコンプレッサーシステムにおいて、好ましくは、タービンコンプレッサー装置は、航空機に搭載されており、膨張モード時には、換気のため機外に排出される機内空気の少なくとも一部を膨張前空気としてタービンコンプレッサー装置に供給して低い機外圧力まで膨張させて排気し、圧縮モード時には、機外空気をタービンコンプレッサー装置により圧縮して機内に取り込むように構成されている。このように構成すれば、圧縮モードによって、機外空気を圧縮して機内に取り入れることができるので、航空機用換気システムとして、タービンコンプレッサーシステムを構成することができる。そして、圧縮空気供給量が十分な場合には、同一のタービンコンプレッサー装置を膨張モードで動作させ、機内空気の排気を用いて発電を行うことができるので、限定した運用に対応させながら、システムを効率的に運用することが可能となる。

　この場合、好ましくは、電力を用いて機外空気を圧縮して機内に取り入れるための電動コンプレッサーをさらに備え、航空機の通常運用時には、電動コンプレッサーによって圧縮された機内空気を膨張前空気としてタービンコンプレッサー装置に供給するとともにタービンコンプレッサー装置を膨張モードで動作させ、機内に取り込まれる圧縮空気の供給量が不足した場合には、タービンコンプレッサー装置を圧縮モードで動作させるように構成されている。このように構成すれば、専用の電動コンプレッサーを備えた航空機において、航空機の通常運用時には、換気用の機内空気（膨張前空気）の膨張エネルギーを用いて発電することにより、高効率な運用が可能となる。一方、電動コンプレッサーの故障や機内からの異常な空気流出など、何らかの原因によって圧縮空気の供給量が不足した場合には、圧縮モードのタービンコンプレッサー装置をバックアップ用のコンプレッサーとして機能させることが可能となる。これにより、重量制限の厳しい航空機において、バックアップ用のコンプレッサーと、エネルギー回収用のタービン発電機とを個別に設ける場合と比較して、搭載機器の重量増大を抑制しつつ、高効率かつ冗長性の高い航空機用換気システムを得ることができる。

　上記機外空気を圧縮して機内に取り入れるための電動コンプレッサーを備える構成において、好ましくは、膨張モード時に、電動コンプレッサーにより圧縮された圧縮空気との熱交換により、膨張前空気に熱を付与してタービンコンプレッサー装置に供給する第２熱交換器をさらに備える。このように構成すれば、圧縮によって温度上昇した圧縮空気との熱交換によって、膨張前空気の温度を上昇させ、回転翼部によって得られる動力（発電電力）を増大させることができる。これにより、タービンコンプレッサーシステムのエネルギー効率を向上させることができる。

　上記機外空気を圧縮して機内に取り入れるための電動コンプレッサーを備える構成において、好ましくは、電動コンプレッサーのモータから発生する熱と、電動コンプレッサーのモータを駆動するインバータから発生する熱と、航空機内に電力を供給するために電力を制御する電力制御部から発生する熱との、少なくともいずれかの熱を放熱して膨張前空気に付与する放熱部をさらに備える。このように構成すれば、放熱部により膨張前空気の温度を上昇させ、回転翼部によって得られる動力（発電電力）を増大させることができる。これにより、タービンコンプレッサーシステムのエネルギー効率を向上させることができる。

　この発明の第３の局面における航空機用換気システムは、航空機に搭載される航空機用換気システムであって、第１回転翼部と、第１回転翼部と一体的に回転するロータと、ロータを回転させる巻線とを含み、第１回転翼部は、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成されており、圧縮モード時には、機外空気を圧縮して機内に取り入れ、膨張モード時には、換気のため機外に排出される機内空気の少なくとも一部を膨張前空気として第１回転翼部に供給して、動力を発生させるように構成されている、タービンコンプレッサー装置を備える。

　この発明の第３の局面による航空機用換気システムでは、上記のように、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように第１回転翼部を構成し、圧縮モード時には、機外空気を圧縮して機内に取り入れ、膨張モード時には、換気のため機外に排出される機内空気の少なくとも一部を膨張前空気として第１回転翼部に供給して、動力を発生させるように構成されたタービンコンプレッサー装置を設けることによって、圧縮モード時には機内予圧用の圧縮空気を生成し、膨張モード時には換気用の機内空気（膨張前空気）の膨張エネルギーを動力に変換する構成を、１つの第１回転翼部により得ることができる。これにより、圧縮空気の供給量が不足する場合にはタービンコンプレッサー装置を圧縮モードで運用し、圧縮空気供給量が十分な場合には同一のタービンコンプレッサー装置を膨張モードで運用してエネルギー（動力）回収を図ることができるので、限定した運用に対応しつつ効率的な運用が可能な航空機用換気システムを得ることができる。

　上記第３の局面による航空機用換気システムにおいて、好ましくは、電力を用いて機外空気を圧縮して機内に取り入れるための電動コンプレッサーをさらに備え、タービンコンプレッサー装置は、圧縮モード時には、巻線とロータとがモータとして動作され、膨張モード時には、巻線とロータとが発電機として動作されるように構成されており、航空機の通常運用時には、タービンコンプレッサー装置を膨張モードで動作させ、機内に取り込まれる圧縮空気の供給量が不足した場合には、タービンコンプレッサー装置を圧縮モードで動作させるように構成されている。このように構成すれば、航空機の通常運用時には、換気用の機内空気（膨張前空気）の膨張エネルギーを用いて発電することにより、高効率な運用が可能となる。一方、電動コンプレッサーの故障や機内からの異常な空気流出など、何らかの原因によって圧縮空気の供給量が不足した場合には、圧縮モードのタービンコンプレッサー装置をバックアップ用のコンプレッサーとして機能させることが可能となる。これにより、重量制限の厳しい航空機において、バックアップ用のコンプレッサーと、エネルギー回収用のタービン発電機とを個別に設ける場合と比較して、搭載機器の重量増大を抑制しつつ、高効率かつ冗長性の高い航空機用換気システムを得ることができる。

　上記第３の局面による航空機用換気システムにおいて、好ましくは、タービンコンプレッサー装置は、第１回転翼部と一体で回転し、空気を圧縮する第２回転翼部をさらに含み、圧縮モード時および膨張モード時の両方において、巻線とロータとがモータとして動作されるように構成されており、圧縮モード時には、モータが第１回転翼部および第２回転翼部を回転駆動し、膨張モード時には、第１回転翼部により発生する動力を補助動力としてモータが第２回転翼部を回転駆動するように構成されている。このように構成すれば、膨張モード時には、第１回転翼部により発生する動力でモータの負荷を軽減させた効率的な運用が可能となる。一方、圧縮モード時には、第１回転翼部および第２回転翼部の両方で予圧用の圧縮空気を供給することができるので、圧縮空気の供給量が不足した場合にも供給量を増大させることができる。これにより、重量制限の厳しい航空機において、バックアップ用のコンプレッサーを別途設ける場合と比較して、搭載機器の重量増大を抑制しつつ、高効率かつ冗長性の高い航空機用換気システムを得ることができる。

　この場合、好ましくは、複数のタービンコンプレッサー装置を備え、複数のタービンコンプレッサー装置のいずれかのモータが機能停止した場合には、モータが機能停止したタービンコンプレッサー装置を膨張モードで動作させるとともに膨張前空気を集中して供給し、第１回転翼部により発生した動力により第２回転翼部を駆動するように構成され、複数のタービンコンプレッサー装置のいずれかが動作不能となった場合には、動作可能なタービンコンプレッサー装置を圧縮モードで動作させるように構成されている。このように構成すれば、モータまたはタービンコンプレッサー装置自体が機能停止した場合にも、十分な圧縮空気の供給量を確保することができる。また、タービンコンプレッサー装置のモータのみが機能停止した場合でも、膨張モードでの動作により圧縮空気の供給を継続することが可能であるので、正常なタービンコンプレッサー装置の側のモータの負荷が増大するのを抑制することができる。なお、モータが機能停止した場合とは、モータ自体が機能停止した場合のみならず、モータを駆動するための電源部が機能停止することによりモータが機能停止した場合も含む。

　上記タービンコンプレッサー装置が第２回転翼部を含む構成において、好ましくは、タービンコンプレッサー装置の第１回転翼部は、圧縮モードと膨張モードとで同一方向に回転するように構成された遠心翼車を含む。このように構成すれば、圧縮モードと膨張モードとを切り替える構成においても、第２回転翼部は、同一方向に回転して空気圧縮を行う圧縮専用の設計を採用することができるので、高効率な圧縮空気供給を可能とすることができる。

　この場合、好ましくは、タービンコンプレッサー装置は、圧縮モード時には、遠心翼車に向かう空気に回転方向の速度成分を付与する空気供給位置に位置し、膨張モード時には、遠心翼車から排出される旋回した空気の回転方向の速度成分を低減する空気排出位置に位置するように移動される可動式のガイドベーンをさらに備える。このように構成すれば、圧縮モードと膨張モードとで遠心翼車が同一方向に回転する構成においても、圧縮モード時には空気供給位置に配置したガイドベーンによってスムーズに空気を遠心翼車に送り込むことができ、膨張モード時には、遠心翼車から排出される空気を、空気排出位置に配置したガイドベーンによって低損失で送り出すことができる。

　本発明によれば、上記のように、限定した運用に対応するように装置構成を簡素化して、装置の小型化および装置重量の軽量化を図ることが可能なタービンコンプレッサー装置、タービンコンプレッサーシステムおよび航空機用換気システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置の全体構成を模式的に示した断面図である。本発明の第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置の遠心翼車を模式的に示した斜視図である。本発明の第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置の可動ベーンを説明するための模式図である。本発明の第２実施形態によるタービンコンプレッサーシステムの全体構成を示した模式図である。本発明の第２実施形態によるタービンコンプレッサーシステムの運用例を説明するための図である。本発明の第３実施形態によるタービンコンプレッサーシステムの全体構成を示した模式図である。本発明の第１変形例による昇温部を示した模式図である。本発明の第４実施形態によるタービンコンプレッサーシステムの全体構成を示した模式図である。本発明の第３変形例によるタービンコンプレッサーシステムを示した模式図である。本発明の第５実施形態によるタービンコンプレッサーシステムの全体構成を示した模式図である。本発明の第５実施形態によるタービンコンプレッサー装置の遠心翼車および空気流路の構成を説明するための模式的な斜視図である。図１１に示したタービンコンプレッサー装置の空気流路の構成を説明するための模式的な斜視図である。本発明の第５実施形態によるタービンコンプレッサーシステムの運用例を説明するための図である。

　以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
　まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置１の全体構成について説明する。

　第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置１は、図１に示すように、遠心翼車１０と、モータ・ジェネレータ（回転電機）２０とを備えている。遠心翼車１０は、空気を圧縮する圧縮モードと、空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成されている。タービンコンプレッサー装置１は、圧縮モード時には、モータ・ジェネレータ２０がモータとして動作され、膨張モード時には、モータ・ジェネレータ２０が発電機として動作されるように構成されている。なお、遠心翼車１０は、本発明の「回転翼部」の一例である。

　遠心翼車１０は、一端側が低圧路１１と流体的に接続され、他端側が可動ベーン１２を介して高圧路（スクロール部）１３と流体的に接続されている。これらの遠心翼車１０、低圧路１１、可動ベーン１２および高圧路１３によって、タービンコンプレッサー装置１の空気流路ＡＰが形成されている。遠心翼車１０の段数は、１段である。遠心翼車１０は、圧縮モードと膨張モードとで回転方向を変えることにより、圧縮モードと膨張モードとの両方で動作可能に構成されている。このため、作動流体としてのガス（空気）は、圧縮モードでは低圧路１１側から進入して高圧路１３側へ導かれ、膨張モードでは高圧路１３側から進入して低圧路１１側へ導かれる。

　図２に示すように、遠心翼車１０は、軸方向（Ａ方向）に突出した先端翼部１０ａと放射状部１０ｂとを有する。先端翼部１０ａは、圧縮モードにおける回転方向Ｃ１の前方に向けて傾斜した形状を有する。このため、先端翼部１０ａは、圧縮モードにおいて回転方向Ｃ１に対して前傾し、空気の入口部として働く。一方、先端翼部１０ａは、膨張モードにおいて回転方向Ｃ２に対して後傾し、空気の出口部として働く。放射状部１０ｂは、回転軸から半径方向（Ｒ方向）に直線放射状に延びるように形成されている。

　図１に示すように、可動ベーン１２は、遠心翼車１０の半径方向（図２のＲ方向）外側の位置で、遠心翼車１０を周状に取り囲むように複数配置されている。図３に示すように、可動ベーン１２は、湾曲したくさび状形状を有し、先細端部１２ａと、幅広端部１２ｂとを含んでいる。第１実施形態では、それぞれの可動ベーン１２は、回転軸５４によって回動可能に構成されている。これにより、可動ベーン１２は、圧縮モード時には、遠心翼車１０から排出される圧縮された空気の流速を減速させて圧力の回復に適した第１位置Ｐ１に位置し、膨張モード時には、遠心翼車１０に向かう膨張前空気を遠心翼車１０に導きやすい第２位置Ｐ２に位置するように移動される。

　可動ベーン１２は、回転軸５４に対して偏心した位置に設けられており、第１位置Ｐ１では、可動ベーン１２は遠心翼車１０に対して距離Ｄ１だけ離間した位置に配置され、可動ベーン１２のうち先細端部１２ａが最も遠心翼車１０側に配置される。この結果、圧縮モード時には、可動ベーン１２は、第１位置Ｐ１において、放射状部１０ｂによって作り出される空気流ＡＦ１の方向に沿うように配置される。また、この第１位置Ｐ１から回転軸５４を約１８０°回転させることにより、可動ベーン１２が第２位置Ｐ２に配置される。第２位置Ｐ２では、可動ベーン１２は遠心翼車１０の外周縁部に近接する位置に配置され、可動ベーン１２のうち幅広端部１２ｂが最も遠心翼車１０側に配置される。この結果、膨張モード時には、可動ベーン１２は、第２位置Ｐ２において、放射状部１０ｂと連続するように配置される。これにより、可動ベーン１２は、圧縮モード時には、第１位置Ｐ１において遠心翼車１０から出た空気流ＡＦ１を減速させるディフューザーとして機能し、膨張モード時には、第２位置Ｐ２において膨張前の空気流ＡＦ２を遠心翼車１０に導入するノズルとして機能する。

　図１に示すように、モータ・ジェネレータ２０は、回転界磁型の同期モータ（同期型発電機）として構成され、遠心翼車１０と一体的に回転するロータ２１と、電機子２２とを備える。

　ロータ２１は、遠心翼車１０と同軸で一体回転するように連結されたシャフト２１ａと、シャフト２１ａに固定された永久磁石２１ｂとを有する。永久磁石２１ｂは、シャフト２１ａ（ロータ２１）の表面に等間隔で配置された表面磁石（ＳＰＭ）構造を有する。永久磁石２１ｂは、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などからなる図示しない保護管により覆われ、飛散防止が図られている。

　電機子２２は、電磁鋼板を積層した積層板（ステータコア）２２ａと、積層板２２ａに取り付けられた巻線２２ｂとを含む。

　電機子２２の巻線２２ｂは、切替器３１に接続される。圧縮モード時には、巻線２２ｂは切替器３１によりインバータ回路３２に接続され、直流電力ＰＷ１をたとえば３相交流に変換した交流電力が巻線２２ｂに供給される。これにより、モータ・ジェネレータ２０は、ロータ２１と、巻線２２ｂとによって、圧縮モード時に同期モータとして機能する。一方、膨張モード時には、巻線２２ｂは、切替器３１により整流回路３３に接続され、直流電力ＰＷ２を出力する同期型発電機として機能する。

　モータ・ジェネレータ２０は、ハウジング４１内に収納されている。ハウジング４１は、ベースフランジ４２を介して遠心翼車１０を回転可能に保持している。ロータ２１のシャフト２１ａは、ハウジング４１およびベースフランジ４２にそれぞれ設けられたボールベアリング４３によって回転支持されている。

　また、ロータ２１の回転数が高速になるため、ハウジング４１には、ボールベアリング４３の潤滑および電機子２２の冷却のための冷却空気ＣＡが供給される。冷却空気ＣＡは、潤滑オイルミストを含んだ状態で供給され、ハウジング４１の内部をロータ２１に沿って進む。その後、冷却空気ＣＡは、ラビリンスシール４４の手前から、遠心翼車１０の中心軸に沿った細穴（図示せず）を通って、低圧路１１側に放出される。また、ベースフランジ４２の内部には、断熱材４５が設けられている。

　ハウジング４１の外部には、ベーン用モータ５１、リングギヤ５２、ピニオン５３および回転軸５４により構成されたベーン回転機構５０が配置されている。複数の可動ベーン１２には、回転軸５４を介してピニオン５３がそれぞれ連結されている。ベーン用モータ５１により、円環状のリングギヤ５２を回転させることによって、それぞれのピニオン５３が一括で回転される。これにより、回転軸５４が回転して可動ベーン１２の第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の切り替えが行われる。

　以上の構成により、第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置１は、圧縮モード時には、モータ・ジェネレータ２０を同期モータとして動作させ、遠心翼車１０を回転駆動することにより、低圧路１１側から導入した空気を圧縮して高圧路１３側へ送出するコンプレッサーとして機能する。一方、膨張モード時には、高圧路１３側から導入した圧縮空気により遠心翼車１０を回転駆動することによりロータ２１を回転させ、モータ・ジェネレータ２０を発電機として動作させるタービン装置（タービン発電機）として機能する。

　第１実施形態では、上記のように、遠心翼車１０を、圧縮モードと膨張モードとの両方で動作可能なように構成し、圧縮モード時には、モータ・ジェネレータ２０（巻線２２ｂおよびロータ２１）がモータとして動作され、膨張モード時には、モータ・ジェネレータ２０（巻線２２ｂおよびロータ２１）が発電機として動作されるようにタービンコンプレッサー装置１を構成することによって、１つの遠心翼車１０によって、圧縮モード時にはモータ駆動により圧縮空気を生成し、膨張モード時には発電機を駆動するための軸動力を発生させることができる。これにより、コンプレッサーとしての圧縮翼と、タービンとしての膨張翼とを個別に設けることなく、圧縮空気の生成と軸動力の発生とを切り替えて行うことができるので、限定した運用に対応するようにタービンコンプレッサー装置１の装置構成を簡素化して、装置の小型化および装置重量の軽量化を図ることができる。

　また、第１実施形態では、上記のように、圧縮モードと膨張モードとで回転方向を変えることにより圧縮モードと膨張モードとの両方で動作可能な遠心翼車１０をタービンコンプレッサー装置１に設ける。ここで、圧縮モードでは、遠心翼車１０は入口部（先端翼部１０ａ）において軸方向（Ａ方向）の流れを旋回させ、円滑に放射状部１０ｂに導入するために、回転方向（Ｃ１方向）へ前傾させた翼形状とすることができる。一方、膨張モードでは、遠心翼車１０は出口部（先端翼部１０ａ）において旋回した流れを軸方向（Ａ方向）に向けるために、回転方向（Ｃ２方向）に対して後傾させた翼形状とすることができる。このため、圧縮モードと膨張モードとで回転方向を変える遠心翼車１０を設けることによって、圧縮モードにおける入口部形状と、膨張モードにおける出口部形状とを、いずれも望ましい翼形状にすることができる。

　また、第１実施形態では、上記のように、圧縮モード時には、遠心翼車１０から排出される圧縮された空気の流速を減速させやすい第１位置Ｐ１に位置し、膨張モード時には、遠心翼車１０に向かう膨張前空気を遠心翼車１０に導きやすい第２位置Ｐ２に位置するように移動される可動ベーン１２をタービンコンプレッサー装置１に設ける。このように構成すれば、圧縮モード時には、可動ベーン１２を第１位置Ｐ１に位置させることにより可動ベーン１２をディフーザとして有効に機能させ、膨張モード時には、可動ベーン１２を第２位置Ｐ２に位置させることにより、可動ベーン１２をノズルとして有効に機能させることができる。

　また、第１実施形態では、上記のように、ロータ２１に永久磁石２１ｂを設け、永久磁石２１ｂを含むロータ２１と、巻線２２ｂとを、圧縮モード時に、同期モータとして動作するように構成する。このように構成すれば、回転界磁式の同期モータにより、圧縮モード時のタービンコンプレッサー装置１を高効率な電動コンプレッサーとして機能させることができる。また、ロータ２１側を永久磁石２１ｂによる磁気回路を形成することができるので、膨張モード時のみならず同期モータとして機能している圧縮モード時での高速回転時にも、ロータ内に発生する変化磁束の量が少なくなり、鉄損による発熱量が低減され、効率の高い運転を実現できる。

（第２実施形態）
　次に、図１および図４を参照して、本発明の第２実施形態によるタービンコンプレッサーシステム１００の全体構成について説明する。第２実施形態では、上記第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置を備えるタービンコンプレッサーシステムの一例として、航空機の補助動力システムとしてのタービンコンプレッサーシステム１００に本発明を適用した例について説明する。

　図４に示すように、第２実施形態によるタービンコンプレッサーシステム１００は、航空機Ｊに搭載されており、主として上記第１実施形態のタービンコンプレッサー装置１と、昇温ユニット１１０とを備えている。また、タービンコンプレッサーシステム１００は、これらの各部を接続する流路および切替弁などをさらに含んでおり、エンジンスタータータービン１０１、メインエンジン（図示せず）の抽気部１０２、および、機外ＥＸ１と流体的に接続されている。

　タービンコンプレッサーシステム１００は、メインエンジンの始動時に、タービンコンプレッサー装置１を圧縮モードで作動させ、エンジンスタータータービン１０１に圧縮空気を供給するように構成されている。また、メインエンジン始動後には、タービンコンプレッサー装置１を膨張モードで作動させ、メインエンジンの抽気部１０２から抽出される抽気（圧縮空気）を膨張前空気としてタービンコンプレッサー装置１に導入することにより、発電を行うように構成されている。

　タービンコンプレッサー装置１の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。タービンコンプレッサー装置１は、高圧路１３（図１参照）が昇温ユニット１１０と連通する高圧空気流路１０３に接続され、低圧路１１（図１参照）が機外ＥＸ１に連通する低圧空気流路１０４に接続されている。高圧空気流路１０３は、遠心翼車１０に膨張前空気を供給するとともに、遠心翼車１０から圧縮空気を排出する空気流路として機能する。

　昇温ユニット１１０は、高圧空気流路１０３によりタービンコンプレッサー装置１と接続されている。昇温ユニット１１０は、圧縮モード時には、遠心翼車１０により圧縮された圧縮空気に熱エネルギーを付与し、膨張モード時には、遠心翼車１０に供給される膨張前空気に熱エネルギーを付与する熱エネルギー付与動作を行うように構成されている。

　昇温ユニット１１０は、燃焼器１１１と、触媒部１１２と、再生熱交換器１１３とを主として含んでいる。なお、燃焼器１１１および再生熱交換器１１３は、それぞれ、本発明の「昇温部」および「第１熱交換器」の一例である。

　燃焼器１１１の入口側は、切替弁１２１を介して高圧空気流路１０３と接続されるとともに、仕切弁１２２および再生熱交換器１１３を介してメインエンジンの抽気部１０２と接続されている。燃焼器１１１は、バーナーが組み込まれた缶型燃焼室１１１ａを有している。燃焼器１１１は、バーナーに着火することでジェット燃料を燃焼させる。バーナーに発生する火炎付近は、火炎を安定させるため空気流速を低く維持し、かつ適度に酸素が供給されるようにするため、小穴が設けられた筒状の缶型燃焼室１１１ａにより囲まれている。また、燃焼器１１１は、供給燃料の量を調節しバーナーの火炎の大きさを制御したり、点火バーナー数を制御したりすることにより、膨張エネルギーの需要に応じて燃焼量の増減を行うことが可能である。

　なお、燃焼前の一部の空気は、流量制御弁１３１から冷却器１３２およびオイルミスト添加器１３３を通り、タービンコンプレッサー装置１の冷却空気ＣＡ（図１参照）として利用される。

　触媒部１１２は、燃焼器１１１の後流側（下流側）に配置されている。触媒部１１２は、触媒を担持したハニカム状のセラミック体から構成されており、燃焼器１１１において燃焼された圧縮空気内に残留する未燃物の完全燃焼と、ＮＯｘやＣＯ等の有害物質を無害化する機能を有する。また、触媒部１１２は、この時の反応熱により圧縮空気温度をさらに上昇させるとともに、圧縮空気の温度むらを低減させる機能を有する。触媒部１１２の出口側は、仕切弁１２３を介してエンジンスタータータービン１０１と接続されるとともに、切替弁１２１を介して高圧空気流路１０３と接続されている。

　切替弁１２１は、圧縮モード時に高圧空気流路１０３と燃焼器１１１の入口側とを接続する状態（図４（ａ））と、膨張モード時に高圧空気流路１０３と触媒部１１２の出口側とを接続する状態（図４（ｂ））とに切り替え可能に構成されている。

　再生熱交換器１１３は、低圧空気流路１０４の途中に設けられた一次側流通路１１３ａと、メインエンジンの抽気部１０２と燃焼器１１１との間の抽気流路１０５に設けられた二次側流通路１１３ｂとを有し、一次側流通路１１３ａを流れる空気と二次側流通路１１３ｂを流れる空気との間で熱交換を行う。これにより、再生熱交換器１１３は、膨張モード時に低圧空気流路１０４（一次側流通路１１３ａ）を流れる膨張後の高温空気との熱交換により、抽気流路１０５（二次側流通路１１３ｂ）を流れるメインエンジンからの抽気に熱を付与して燃焼器１１１に供給するように構成されている。

　仕切弁１２２は、メインエンジンの抽気部１０２に接続された流路の開閉を切り替え、仕切弁１２３は、エンジンスタータータービン１０１に接続された流路の開閉を切り替えるように構成されている。

　第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

　次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態によるタービンコンプレッサーシステム１００の動作を説明する。

　図４（ａ）に示す圧縮モードでは、機外ＥＸ１から吸込まれた空気（外気）が低圧空気流路１０４からタービンコンプレッサー装置１に導入される。モータ・ジェネレータ２０のモータ駆動によりタービンコンプレッサー装置１で圧縮された高圧の圧縮空気は、高圧空気流路１０３および切替弁１２１を介して昇温ユニット１１０の燃焼器１１１に導入される。この際、仕切弁１２３は閉じられており、抽気部１０２に連通する抽気流路１０５は使用されない。燃焼器１１１におけるジェット燃料の燃焼によって加熱され、高温となった圧縮空気は、触媒部１１２を通過して、開かれた仕切弁１２３に連通したエンジンスタータータービン１０１に供給される。これにより、高温高圧の圧縮空気が、メインエンジン始動時の補助動力源としてエンジンスタータータービン１０１に供給され、メインエンジンの始動に供される。

　メインエンジンの始動後、図４（ｂ）に示す膨張モードでは、仕切弁１２２が開かれ、メインエンジンの抽気部１０２から抽気（高圧空気）が仕切弁１２２を介して供給される。抽気は、抽気流路１０５の再生熱交換器１１３を通過して昇温ユニット１１０の燃焼器１１１に導入され、燃焼器１１１におけるジェット燃料の燃焼によって加熱される。高温となった抽気は、触媒部１１２を通過して、切替弁１２１および高圧空気流路１０３を介してタービンコンプレッサー装置１に供給される。この際、仕切弁１２２は閉じられており、エンジンスタータータービン１０１に連通する流路は使用されない。タービンコンプレッサー装置１に供給された高温高圧の抽気は、タービンコンプレッサー装置１において膨張して遠心翼車１０を回転させ、そのエネルギー量に応じた電力がモータ・ジェネレータ２０によって発電される。

　膨張後の空気（排気）は、再生熱交換器１１３を通過して低圧空気流路１０４から機外に放出される。この際、膨張後の空気（排気）は、膨張に伴って温度が低下するものの、抽気部１０２からの抽気温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２を有する。このため、再生熱交換器１１３は、膨張後の空気（温度Ｔ２）と抽気（温度Ｔ１）との熱交換により抽気温度を上昇させ、エネルギー効率を向上させる。また、機外ＥＸ１に放出される空気は、機体の後方に向けて噴出される。この際、排気前に翼前縁等、着氷し易い部位の内部を通過することで、翼前縁等のこれらの部位への着氷を防ぐ機能に用いることもできる。

　ここで、図４および図５を参照して、第２実施形態によるタービンコンプレッサーシステム１００の運用例（圧縮モード動作時および膨張モード動作時の空気の温度や圧力の変化の例）について説明する。

　図５に示すように、システムを流れる空気の質量流量は、タービンコンプレッサー装置１内での体積流量が、圧縮モード（ａ）と膨張モード（ｂ）とでほぼ同じ程度に設定するのが望ましいため、空気温度が高くなる膨張モードでの質量流量（０．１２ｋｇ／ｓ）は、圧縮モードでの質量流量（０．３０ｋｇ／ｓ）よりも小さくしている。この結果、膨張モードで消費されるエンジン抽気量を低減しつつ、ある程度の発電量を確保するような運転が実現されることになる。一方、圧縮モードでは、供給される空気の質量流量が大きいため、昇温によって大きなエネルギーを得ることができ、エンジンスタータータービン１０１の駆動に適した圧縮空気供給が可能になる。

　図５の（ａ）に示した圧縮モードでは、４１．１ｋＷの電力投入によりタービンコンプレッサー装置１を駆動（変換効率９０％）する。これにより、タービンコンプレッサー装置１が圧縮空気（２．５５ａｔａ、４２２．７Ｋ、変換効率７５％）を生成する。昇温ユニット１１０において燃焼器１１１に５ｃｃ／ｓのジェット燃料を投入し、１７１．２ｋＷ（触媒部１１２の発熱を含む）を発熱させ、９０％の変換効率で圧縮空気に熱エネルギーが付与される。これにより、圧力損失を考慮して、２．５０ａｔａ、９３３Ｋの高温の圧縮空気が得られる。圧縮空気をエンジンスタータータービン１０１に供給して軸動力に変換（変換効率８５％）すると、７６．２ｋＷの軸動力が発生する。これにより、メインエンジンをスタートさせる。昇温ユニット１１０における熱エネルギーの付与により、４１．１ｋＷの投入電力を７６．２ｋＷの軸動力に高めることが可能となっている。

　図５の（ｂ）に示した膨張モードでは、抽気部１０２からメインエンジンの抽気（４．０ａｔａ、５００Ｋ）が得られる。昇温ユニット１１０において燃焼器１１１に１．７ｃｃ／ｓのジェット燃料を投入して５８．２ｋＷ（触媒部１１２の発熱を含む）を発熱させ、９０％の変換効率で抽気に熱エネルギーが付与される。これにより、圧力損失を考慮して、３．９５ａｔａ、９３４Ｋの高温の圧縮空気（抽気）が得られる。高温の圧縮空気をタービンコンプレッサー装置１に供給し、８５％の変換効率で軸動力を発生させる。これにより、３１．１ｋＷの軸動力（発電電力としては変換効率９０％で２８．０ｋＷ）が得られる。なお、エンジン抽気（４．０ａｔａ、５００Ｋ）をそのまま軸動力に変換した場合（変換効率８５％）には、１６．８ｋＷの軸動力となる。このため、昇温ユニット１１０における熱エネルギーの付与により、１６．８ｋＷの軸動力を３１．１ｋＷに高めることが可能となっている。

　タービンコンプレッサー装置１の排気は、膨張後も６７７Ｋ（温度Ｔ２、図４（ｂ）参照）の高温である。このため、抽気部１０２から得られる５００Ｋ（温度Ｔ１、図４（ｂ）参照）のエンジン抽気との間で、再生熱交換器１１３による熱交換を行うことにより、エンジン抽気に温度差分の１７７Ｋ（＝６７７Ｋ－５００Ｋ）に相当する熱エネルギーを付与することが可能となる。この結果、昇温ユニット１１０に供給する前の抽気温度を５００Ｋ（温度Ｔ１）から上昇させ、その分、昇温ユニット１１０におけるジェット燃料消費を抑制することができる。これにより、再生熱利用を考慮しない場合の軸動力３１．１ｋＷと同じ軸動力を得るのに必要なジェット燃料消費を、１．７ｃｃ／ｓから１．０ｃｃ／ｓに削減させることが可能である。

　第２実施形態では、上記のように、圧縮モード時に、遠心翼車１０により圧縮された空気に熱エネルギーを付与し、膨張モード時に、遠心翼車１０に供給される膨張前空気に熱エネルギーを付与する昇温ユニット１１０を高圧空気流路１０３に設ける。このように構成すれば、圧縮モードでは昇温ユニット１１０によって圧縮空気温度をさらに上昇させて圧縮空気のエネルギー量を増加させることができるので、圧縮空気を利用する部位（エンジンスタータータービン１０１）で高い能力（軸動力）を得ることができる。また、膨張モードでは昇温ユニット１１０によって膨張前の空気温度を上昇させて膨張前空気のエネルギー量を増加させることができるので、タービンコンプレッサー装置１での発電量を増加させることができる。

　また、第２実施形態では、上記のように、圧縮モード時には、タービンコンプレッサー装置１により圧縮された空気を昇温ユニット１１０により昇温してエンジンスタータータービン１０１に供給するようにタービンコンプレッサーシステム１００を構成する。そして、膨張モード時には、メインエンジン始動後の抽気を昇温ユニット１１０により昇温して膨張前空気としてタービンコンプレッサー装置１に供給するようにタービンコンプレッサーシステム１００を構成する。このように構成すれば、圧縮モードによる始動用圧縮空気の供給と、膨張モードによるエンジン抽気を用いた発電とを同一のタービンコンプレッサー装置１により行うことができるので、複数の装置、または、圧縮翼と膨張翼とを個別に備えたタービンコンプレッサー装置を設ける必要がない。この結果、重量制限の厳しい航空機Ｊにおいて搭載機器であるタービンコンプレッサー装置１を軽量化することができ、燃料消費削減や機体の性能向上を図ることができる。

　また、第２実施形態では、上記のように、圧縮モード時に、遠心翼車１０による圧縮空気に熱エネルギーを付与するとともに、膨張モード時に、遠心翼車１０に供給される膨張前空気に熱エネルギーを付与する燃焼器１１１と、膨張モード時に膨張後の高温空気との熱交換によりメインエンジンからの抽気に熱を付与して燃焼器１１１に供給する再生熱交換器１１３とを昇温ユニット１１０に設ける。このように構成すれば、圧縮モードおよび膨張モードの両方において、燃焼器１１１により空気（圧縮空気または膨張前空気）に熱エネルギーを付与することができる。また、膨張モード時には、再生熱交換器１１３により膨張後の高温空気の熱をエンジン抽気に付与することによって、膨張後の高温空気の廃熱を回収することが可能な効率的なタービンコンプレッサーシステム１００を得ることができる。また、燃焼器１１１を設けることにより、ジェット燃料の燃焼によって圧縮空気（または膨張前空気）に大きな熱エネルギーを付与することができる。

　第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
　次に、図１および図６を参照して、本発明の第３実施形態によるタービンコンプレッサーシステム２００の全体構成について説明する。第３実施形態では、上記第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置を備えるタービンコンプレッサーシステムの他の一例として、電力変換システムとしてのタービンコンプレッサーシステム２００に本発明を適用した例について説明する。

　図６に示すように、第３実施形態によるタービンコンプレッサーシステム２００は、固定設置型の電力変換システムとして構成されており、主として上記第１実施形態のタービンコンプレッサー装置１と、昇温ユニット２１０と、蓄熱ユニット２２０と、ガスホルダ２３０とを備えている。なお、タービンコンプレッサーシステム２００において、上記第２実施形態と同様の構成は同一の符号を用いて説明を省略する。なお、ガスホルダ２３０は、本発明の「圧縮空気貯蔵部」の一例である。

　タービンコンプレッサーシステム２００は、圧縮モード時にタービンコンプレッサー装置１で生成した圧縮空気をガスホルダ２３０に貯蔵しておき、膨張モード時に、ガスホルダ２３０に貯蔵しておいた圧縮空気をタービンコンプレッサー装置１に導入することにより、発電を行うように構成されている。

　タービンコンプレッサー装置１は、高圧路１３（図１参照）が高圧空気流路２０１に接続され、低圧路１１（図１参照）が屋外ＥＸ２に連通する低圧空気流路２０２に接続されている。

　昇温ユニット２１０は、高圧空気流路２０１によりタービンコンプレッサー装置１と接続されている。上記第２実施形態とは異なり、昇温ユニット２１０は、膨張モード時にのみ、遠心翼車１０に供給される膨張前空気に熱エネルギーを付与する熱エネルギー付与動作を行うように構成されている。

　蓄熱ユニット２２０は、切替弁１２１および燃焼器１１１と、ガスホルダ２３０との間の空気流路２０３に設けられている。蓄熱ユニット２２０は、蓄熱材（たとえば、結晶性ポリエチレンや結晶性ポリプロピレンなどの結晶性ポリマーをマイクロカプセル化したもので、液相と固相の間の相変化により熱量を蓄える）を有している。これにより、蓄熱ユニット２２０は、圧縮モード時に、遠心翼車１０から排出され、圧縮により温度上昇された圧縮空気が通過することにより蓄熱材への蓄熱を行うように構成されている。また、蓄熱ユニット２２０は、膨張モード時には、圧縮モード時の蓄熱を用いて、ガスホルダ２３０から遠心翼車１０に供給される膨張前空気を予熱するように構成されている。

　ガスホルダ２３０は、蓄熱ユニット２２０に接続され、伸縮可能な筐体２３１と天井面２３２とを備えている。ガスホルダ２３０に貯蔵されるガスは空気であり火災などの危険がないため、筐体２３１および天井面２３２は、水ではなくシール材によるシール方式を採用している。天井面２３２は、重量の大きな部材が使用されており、高い内圧とバランスして圧力を維持するように機能する。ガスホルダ２３０は、図示しない仕切弁の開閉によって、圧縮モード時に遠心翼車１０から排出された圧縮空気を貯蔵し、膨張モード時に、貯蔵した圧縮空気を遠心翼車１０に供給するように構成されている。

　第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

　次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態によるタービンコンプレッサーシステム２００の動作を説明する。

　図６（ａ）に示す圧縮モードでは、屋外ＥＸ２から吸込まれた常温常圧の空気が再生熱交換器１１３、低圧空気流路２０２を経由してタービンコンプレッサー装置１に導入される。モータ・ジェネレータ２０のモータ駆動により、タービンコンプレッサー装置１で圧縮された高圧の圧縮空気は、高圧空気流路２０１、切替弁１２１を介して蓄熱ユニット２２０に入る。なお、図示しない仕切弁などにより、圧縮空気は燃焼器１１１側には送られない。そして、圧縮空気の圧縮時の昇温分が蓄熱ユニット２２０に蓄熱され、圧縮空気は常温に戻るとともにガスホルダ２３０に貯蔵される。この圧縮モードによる動作を夜間などのオフピーク時に行うことにより、余剰電力を用いた圧縮空気の生成および貯蔵が行われる。

　図６（ｂ）に示す膨張モードでは、ガスホルダ２３０から常温の圧縮空気が供給され、蓄熱ユニット２２０を通過する際に圧縮空気が昇温される。蓄熱ユニット２２０を通過した圧縮空気は、再生熱交換器１１３を通過して燃焼器１１１に導入され、熱エネルギーが付与される。高温となった圧縮空気は、触媒部１１２を通過して、切替弁１２１および高圧空気流路２０１を介してタービンコンプレッサー装置１に供給される。タービンコンプレッサー装置１に供給された高温の圧縮空気は、タービンコンプレッサー装置１において膨張し、そのエネルギー量に応じた電力が発電される。膨張後の空気は、再生熱交換器１１３を通過して屋外ＥＸ２に放出される。再生熱交換器１１３は、膨張後の空気（高温）と膨張前空気（低温）との熱交換により、膨張前空気温度を上昇させ、エネルギー効率を向上させる。なお、膨張後の空気を屋外に放出させる際に、たとえば給湯器などを通過させ、熱交換後に残る熱量をさらに利用することも可能である。この膨張モードによる動作を昼間の電力需要ピーク時に行うことにより、圧縮空気を用いた発電電力により電力需要の一部または全部を賄う。

　第３実施形態では、上記のように、遠心翼車１０に膨張前空気を供給するとともに遠心翼車１０から圧縮空気を排出するための空気流路２０３に設けられ、圧縮モード時に、遠心翼車１０から排出された温度上昇された圧縮空気が通過することにより蓄熱を行うとともに、膨張モード時に、遠心翼車１０に供給される膨張前空気を予熱する蓄熱ユニット２２０をタービンコンプレッサーシステム２００に設ける。このように構成すれば、圧縮モード時における圧縮空気の温度上昇分を蓄熱ユニットにより蓄熱し、膨張モード時において膨張前空気を予熱することによって、エネルギーの有効利用を図ることができる。これにより、タービンコンプレッサーシステム２００のエネルギー効率を向上させることができる。

　また、第３実施形態では、上記のように、圧縮モード時に、遠心翼車１０から排出された圧縮空気を貯蔵するとともに、膨張モード時に、貯蔵した圧縮空気を遠心翼車１０に供給するガスホルダ２３０をタービンコンプレッサーシステム２００に設ける。このように構成すれば、ガスホルダ２３０により、圧縮モード時における圧縮空気の生成と、膨張モード時における圧縮空気の利用（発電）とを、異なる時点で個別に行うことができる。これにより、オフピーク時に圧縮空気を生成し貯蔵しておき、ピーク時には貯蔵した圧縮空気を利用して発電を行うことによって、圧縮空気を用いた発電電力により電力需要の一部または全部を賄う、いわゆるピークシフト（またはピークカット）動作が可能な電力変換システムとして、タービンコンプレッサーシステム２００を構成することができる。

　第３実施形態のその他の効果は、上記第２実施形態と同様である。

　（第１変形例）
　上記第２および第３実施形態では、昇温ユニット１１０（２１０）に燃焼器１１１を設けて燃焼方式の昇温ユニットを構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。この第１変形例では、図７に示す燃料電池方式の昇温部３１１を燃焼器１１１の代わりに設ける例について説明する。

　図７に示すように、昇温部３１１は、燃料ガス導入部３２１および導出部３２２を有する筒状の燃料電池セル３２０と、空気導入部３３１および排気部３３２を有する反応室３３０とを含む、円筒型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

　燃料電池セル３２０は、反応室３３０内に設置され、筒状に形成された固体電解質３２３と、固体電解質３２３の外表面に設けられた空気極３２４と、固体電解質３２３の内表面に設けられた燃料極３２５とを有する。燃料電池セル３２０は、一端の燃料ガス導入部３２１から燃料ガスが導入され、他端の導出部３２２において、図示しないバーナーなどにより燃料ガスを燃焼させるように構成されている。燃料ガスは、改質反応により水素を生成可能なガスであり、たとえばメタン（ＣＨ_４）ガスや炭酸（ＣＯ）ガスを含む。上記第２実施形態においては、ジェット燃料を改質することが可能である。燃料極３２５には、燃料ガスを改質して水素を生成するための改質触媒（図示せず）が含まれている。なお、燃料電池セル３２０内で改質反応を行う代わりに、昇温部３１１の前段に改質器を設けてもよい。

　反応室３３０には、空気導入部３３１から空気が供給され、燃料電池セル３２０の空気極３２４の表面を空気が通過して、排気部３３２から空気が排出されるように構成されている。排気部３３２内に燃料電池セル３２０の導出部３２２が配置されている。

　昇温部３１１の動作時には、燃料ガス導出部３２２からの燃料ガスを供給するとともに、空気導入部３３１から空気を導入して、導出部３２２の出口において燃焼させ、反応室３３０内部を昇温する。燃焼により燃料電池セル３２０が昇温されると、燃料極３２５の表面と燃料ガスとの間で改質反応（酸化反応）が発生し、燃料ガスから水素が生成される。改質反応が始まると、導出部３２２からは燃料ガスの未反応成分を含むガスが排出され、このガスが出口において（火炎）燃焼や触媒燃焼がされるようになる。燃料電池セル３２０が作動温度（約５００℃以上）に到達すると、空気極３２４側で生成された酸素イオン（Ｏ^２－）が固体電解質３２３を通過して燃料極３２５に運ばれ、水素と反応して水とともに電子を生成する（発電する）。この一連の発電動作によって、反応室３３０の排気部３３２からは、導出部３２２の出口における燃焼による発熱および燃料電池セル３２０の発電に伴う発熱によって加熱された高温の排気（高温空気）が排出される。

　したがって、圧縮モード時における圧縮空気および膨張モードにおける膨張前空気の一方または両方を、反応室３３０の空気導入部３３１に供給し、排気部３３２から排出させることによって、これらの圧縮空気および膨張前空気に熱エネルギーを付与することが可能となる。

　この第１変形例によれば、燃料電池方式の昇温部３１１を設けることによって、タービンコンプレッサー装置１と燃料電池とのいわゆるハイブリッド発電装置を構成することができる。この結果、燃料電池による発電と、燃料電池の高温排気を用いた圧縮空気（または膨張前空気）への熱エネルギーの付与とを行うことができるので、タービンコンプレッサーシステム１００（または２００）のエネルギー効率を向上させることができる。

　なお、この第１変形例では、円筒型の固体酸化物型燃料電池の例を示したが、本発明はこれに限られない。燃料電池セルは、平板状の空気極、電解質および燃料極を積層した平板型の固体酸化物型燃料電池であってもよい。また、円筒型および平板型以外のタイプの固体酸化物型燃料電池であってもよい。また、固体酸化物型燃料電池は、作動温度が高いことから昇温部として用いる場合に好ましいが、圧縮空気および膨張前空気に熱エネルギーを付与することが可能であれば、固体酸化物型燃料電池以外の燃料電池を昇温部に用いてもよい。

　（第２変形例）
　図７の上記第１変形例では、昇温ユニットに燃料電池方式の昇温部３１１を設ける例を示したが、上記第２実施形態による固定設置型のタービンコンプレッサーシステム２００においては、燃料電池方式の昇温部３１１（または図６の燃焼器１１１）に代えて、熱交換器（図示せず）を昇温ユニット２１０に設けて外部の熱を取り入れる構成としてもよい。この場合、昇温ユニット２１０による膨張前空気の昇温は熱交換のみとなるため、触媒部１１２を省略してもよい。

　具体的には、工場などの各種工程で発生する廃熱を熱交換器によって有効利用する方法や、太陽光や地熱などの自然エネルギーを熱交換器によって利用する方法が挙げられる。廃熱や自然エネルギーを利用する場合、熱の供給量が時間的に大きく変動するケースが考えられる。このような場合に、上記第２実施形態によるタービンコンプレッサーシステム３００による圧縮空気の貯蔵が有効である。すなわち、比較的電力に余裕があるような時点（夜間など）では、圧縮モードで動作することにより、空気の圧縮を行い、圧縮空気を貯蔵する。その後、熱の供給量が多い一方で電力需要が逼迫している時点（工場廃熱や日照の多い昼間など）で、その熱を熱交換器により付与した圧縮空気を用いて発電することによって、より多くの電力を得ることができる。

　（第４実施形態）
　次に、図１および図８を参照して、本発明の第４実施形態によるタービンコンプレッサーシステム４００の全体構成について説明する。第４実施形態では、上記第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置を備えるタービンコンプレッサーシステムの他の一例として、航空機用換気システムとしてのタービンコンプレッサーシステム４００に本発明を適用した例について説明する。

　航空機の空調（換気）システムは、地上の空調装置と異なり、温度調節の機能の他に、与圧の機能および換気の機能が求められる。これは、上空では機外の気圧が低い一方で、機内で搭乗者がいる空間は、搭乗者に危害が加わらない圧力に維持することが必要となるためである。たとえば、旅客機が巡航する海面から４００００ｆｔ（＝１２１９２ｍ）の高度では、０．１８６気圧（＝１８．８２ｋＰａ）となり、地上の１/５以下の気圧となる。これに対し、機内で搭乗者がいる空間は、規定では、高度８０００ｆｔの気圧に相当する０．７４３気圧（＝７５．２７ｋＰａ）以上の気圧に維持することが必要とされる。さらに、搭乗者の呼吸に障害を与えないように、常に新鮮な空気との換気（規定では、搭乗者１人当り０．５５ＬＢＳ／ｍｉｎ（＝４．１６ｇ／ｓ）以上の新鮮空気供給）が必要になる。

　ここで、航空機の燃費改善が重要となっている昨今、エネルギー効率改善と機器の効率化のため、従来のエンジン抽気を用いる方法とは異なり電動コンプレッサーを用いて予圧用の圧縮空気を供給する方式が実用化され始めている。この電動コンプレッサー方式では、電動コンプレッサーの性能上の余裕度の設定が重要となる。すなわち、電動コンプレッサーが故障すると、機内空気の換気が滞る上、場合によっては機内の気圧も低下するため、搭乗者の安全性が脅かされる問題が生じる。また、機体に何らかの理由（飛来物との衝突や、機体接合部分で隙間発生など）で穴が開いた場合などにも、異常な空気流出により同様な気圧低下が発生する。

　このため、通常、航空機には、電動コンプレッサーが複数台搭載され、万一１台が故障しても停止した電動コンプレッサーの能力を補えるように、あるいは異常な空気流出が発生しても複数台全部で圧縮能力を高めることが可能なように、複数台の電動コンプレッサーのそれぞれが、通常よりも能力を高めて運転することを可能とする設計（性能上の余裕度を持たせる設計）が重要となる。

　しかしながら、性能上の余裕度を持たせるように電動コンプレッサーを設計する場合、通常の圧縮空気量を定格として、例えば、出力余裕をたかだか定格の２０～３０％増とするレベルの設計であっても、その最大出力での連続運転を可能とするためには、様々な部位の寸法や重量の増加が避けられない。具体的には、出力を上げた運転では、巻線電流の増加等により通常運転よりも圧縮時のモータ発熱量が増加するため、発熱に対応するために放熱や断熱の対策を強化する必要があり、これらの対策は大型化および重量増加を招く。また、同じ圧縮翼車を用いて圧縮空気量を増加させる場合、回転数を上げて翼車を通過する流量を上昇させることになる。この場合、回転数の上昇は無駄に圧力ヘッドを上昇させることになり、必要以上に圧力比が増大し、流量の増加分以上にモータの負荷を増加させる（効率を低下させる）ことになり、モータ内部の発熱はさらに増加する。

　つまり、電動コンプレッサーは、常用定格を上限として運用する設計を採用する方が、装置の小型軽量化にとっては好ましいことになる。しかしながら、従来では、常用定格での運用で圧縮空気供給量（圧縮性能）に冗長性を持たせことができなかった。

　一方、与圧・換気用に圧縮され、機内に供給された圧縮空気は、低温低圧の機外空気を基準とすれば、利用可能なエネルギーを多く含んだ状態にある。しかしながら、換気のため機内空気（圧縮空気）を機外に放出する際には、通常、アウトフローバルブを通して排気が行われており、排気の際に膨張エネルギーが回収されることはほとんど行われていない。

　第４実施形態によるタービンコンプレッサーシステム４００は、上記の背景を鑑み、搭載機器の重量増大を抑制しつつ、高効率かつ冗長性を向上させた航空機用換気システムとして構成されている。タービンコンプレッサーシステム４００は、本発明の「航空機用換気システム」の一例である。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

　図８に示すように、第４実施形態によるタービンコンプレッサーシステム４００は、航空機Ｊ内に設けられている。タービンコンプレッサーシステム４００は、タービンコンプレッサー装置１と、機外空気を圧縮して機内（キャビンＪ１のみならずコックピット（図示せず）なども含めた、乗員および乗客が搭乗する室内）に送り込むための電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂと、再生熱交換器４０３およびラム熱交換器４０４と、温度調整用の冷却システム４０５とを主として備えている。上記のように、機内は、安全な気圧に維持されつつ換気が行われなければならないため、機内予圧用のコンプレッサーとして、２台の電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂがタービンコンプレッサーシステム４００に設けられている。再生熱交換器４０３は、本発明の「第２熱交換器」の一例である。

　第４実施形態では、タービンコンプレッサー装置１は、図８の（ａ）に示す膨張モード時には、換気のため機外Ｅｘ３に排出される機内空気の少なくとも一部を膨張前空気として遠心翼車１０に供給して動力を発生させ、図８の（ｂ）に示す圧縮モード時には、遠心翼車１０により機外空気を圧縮して機内に取り込むように構成されている。これにより、タービンコンプレッサー装置１は、通常運用時に電動コンプレッサー４０２ａ（４０２ｂ）によって圧縮された機内空気（膨張前空気）を用いて発電を行う機能（膨張モード時）と、機内に取り込まれる圧縮空気の供給量が不足した場合に、予圧と換気（圧縮空気の供給）を行うバックアップ用のコンプレッサーとしての機能（圧縮モード時）と、を有する。このような圧縮空気の供給量の不足は、たとえば、電動コンプレッサー４０２ａ（または４０２ｂ）が停止した場合や、機体からの異常な空気流出が発生した場合が考えられる。

　図８の（ａ）に示すように、航空機の通常運用時には、まず、機外Ｅｘ４から取り込まれた空気が電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂに供給されるとともに、モータ４２２の駆動により圧縮翼車４２１が回転される。これにより、取り込まれた空気が圧縮される。電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂから供給される圧縮空気は、圧縮により温度が上昇するため、再生熱交換器４０３およびラム熱交換器４０４を通過する際の熱交換により冷却される。

　再生熱交換器４０３は、キャビンＪ１で利用された後に貨物室Ｊ２に至った空気からの排気（膨張前空気）と圧縮空気とを熱交換させ、圧縮空気の熱を膨張前空気に付与する。ラム熱交換器４０４は、機外からのラム空気（ＲＡＭ　ａｉｒ）の流路（ラム流路Ｊ３）に設けられており、低温のラム空気と圧縮空気とを熱交換させ、圧縮空気を冷却する。冷却された圧縮空気は、ミキシングチャンバ４０６に送り込まれる。また、電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂからの圧縮空気の一部は、温度の高い状態のままで温度制御バルブ４０７を介してミキシングチャンバ４０６に送り込まれる。温度制御バルブ４０７の開閉調節により圧縮空気のミキシングチャンバ４０６への供給量が調節される。

　ミキシングチャンバ４０６では、熱交換により冷却された圧縮空気と、温度の高い状態のまま供給された圧縮空気とが適度に混合されることによって、適正温度に設定された空気が得られる。ミキシングチャンバ４０６で混合された適正温度の圧縮空気は、機内の天井部にある分配ダクト４０８からキャビンＪ１に供給される。キャビンＪ１内で利用された空気は、貨物室Ｊ２の空間を利用して集められ、一部は循環ファン４０９によってミキシングチャンバ４０６に戻される。このとき、必要に応じて、ミキシングチャンバ４０６への循環空気が冷却システム４０５によって冷却される。

　冷却システム４０５は、エバポレータ（蒸発器）４０５ａ、コンプレッサー４０５ｂ、コンデンサ（凝縮器）４０５ｃおよび膨張弁４０５ｄを含む。循環空気は、エバポレータ４０５ａにおいて冷媒の蒸発潜熱によって冷却される。気化した冷媒は、コンプレッサー４０５ｂにより圧縮され、コンデンサ４０５ｃに送られる。コンデンサ４０５ｃでは冷媒の熱が低温のラム空気に放熱され、冷媒が凝縮する。凝縮した冷媒は、膨張弁４０５ｄで減圧し、エバポレータ４０５ａに戻る。この冷却システム４０５のサイクルによって、循環空気が冷却されてミキシングチャンバ４０６に送り込まれる。

　機内圧力を一定に維持するため、換気されるべき所定量（供給空気から機体各所で漏れ出る分を除く量）の空気は、貨物室Ｊ２から機外に放出される流路へと送られる。この放出空気（膨張前空気）は、上記した再生熱交換器４０３において圧縮空気の熱を受け取った後、膨張モードのタービンコンプレッサー装置１へ供給される。膨張前空気はタービンコンプレッサー装置１の遠心翼車１０において膨張し、そのエネルギー量に応じた電力がモータ・ジェネレータ２０により発電される。膨張後の空気は、機外Ｅｘ３へ放出される。このとき、放出空気（膨張前空気）の一部は、タービンコンプレッサー装置１には供給されずに、アウトフローバルブ４１０からそのまま放出される。機内圧力の細かな変動は、アウトフローバルブ４１０からの放出量によって調節され、タービンコンプレッサー装置１における空気流量には大きな変動が発生しないようにタービンコンプレッサーシステム４００が運用される。

　なお、機外からのラム空気は、冷却等に利用された後は、ラム流路Ｊ３の出口から機外に放出される。ラム空気の入口部分には、通常、ＲＡＭドア（ＲＡＭ－ｄｏｏｒ）と称されるラム流路Ｊ３の入口を開閉するドア（図示省略）と、ラムファン（ＲＡＭ－ｆａｎ）と称されるファン（図示省略）が設けられる。ラムドアは飛行時に必要以上の空気が取り込まれて、飛行抵抗を増大させることを防ぐものである。また、ラムファンは、地上駐機時に、機外空気をラム流路Ｊ３に流すために用いられる。

　航空機Ｊが上空を巡航する際は、機外は低温となっているが、機体内面には高性能な断熱材が貼り付けられている上、搭乗者自身や電子機器からの発熱があるため、航空機Ｊの暖房要求量は比較的少ない。このため、電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂでの圧縮によって温度の上昇した圧縮空気の一部をそのまま供給することにより、暖房要求量が賄われる。一方、暑い地域での地上駐機時や低空飛行時に機内に供給する空気は、温度を下げるだけでなく換気空気に含まれる湿分を凝縮し除去することが必要となるため、大きな冷却能力が求められる。このため、換気空気の取り入れに電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂを用いる場合には、空気の断熱膨張によって冷気を得る空気サイクルを用いるよりも、冷媒の蒸発潜熱を用いる冷却システム４０５のベーパーサイクルを採用する方が望ましい。これにより、電力で駆動できる装置である上、消費電力に対し大きな汲み出し熱量が確保でき、高いＣＯＰ（成績係数）での運転が可能になる。

　一方、図８（ｂ）では、機内に取り込まれる圧縮空気の供給量が不足した場合（バックアップ時）の一例として、電動コンプレッサー４０２ｂが停止した場合の作動例を示している。この場合には、規定の与圧圧力と換気空気量を確保するため、停止した電動コンプレッサー４０２ｂのバックアップとして機能するようにタービンコンプレッサー装置１が圧縮モードに切り替えられる。

　圧縮モードでは、機外Ｅｘ４からの空気がタービンコンプレッサー装置１に供給される。モータ・ジェネレータ２０のモータ駆動により遠心翼車１０で圧縮された圧縮空気は、電動コンプレッサー４０２ａからの圧縮空気とともに一部が再生熱交換器４０３側に供給され、他の一部が温度制御バルブ４０７を介してミキシングチャンバ４０６に供給される。この結果、電動コンプレッサー４０２ｂの停止時にも、正常作動の電動コンプレッサー４０２ａとタービンコンプレッサー装置１とを用いて空気圧縮を行うことにより、必要な空気圧縮能力が確保される。なお、圧縮モードでは、再生熱交換器４０３を通過した放出空気は、タービンコンプレッサー装置１には供給されずに、アウトフローバルブ４１０で放出量調節が行われた後、機外Ｅｘ３へ放出される。

　第４実施形態では、上記のように、圧縮モード時には、機外空気を圧縮して機内に取り入れ、膨張モード時には、換気のため機外に排出される機内空気の一部を膨張前空気として遠心翼車１０に供給して、動力を発生させるように構成されたタービンコンプレッサー装置１を設けることによって、圧縮モード時には機内予圧用の圧縮空気を生成し、膨張モード時には換気用の機内空気（膨張前空気）の膨張エネルギーを動力に変換する構成を、１つの遠心翼車１０により得ることができる。これにより、圧縮空気の供給量が不足する場合には圧縮モードで運用し、圧縮空気供給量が十分な場合には膨張モードで運用してエネルギー回収を図るなど、必要に応じて圧縮モードと膨張モードとを切り替えることによって、限定した運用に対応しつつ効率的な運用が可能な航空機用換気システム（タービンコンプレッサーシステム４００）を得ることができる。

　また、第４実施形態では、上記のように、圧縮モード時には、モータ・ジェネレータ２０がモータとして動作され、膨張モード時には、モータ・ジェネレータ２０が発電機として動作されるようにタービンコンプレッサー装置１を構成する。また、航空機Ｊの通常運用時には、タービンコンプレッサー装置１を膨張モードで動作させ、機内に取り込まれる圧縮空気の供給量が不足した場合には、タービンコンプレッサー装置１を圧縮モードで動作させるようにタービンコンプレッサーシステム４００を構成する。これにより、通常運用時には、換気用の機内空気（膨張前空気）の膨張エネルギーを用いて発電することにより、高効率な運用が可能となる。一方、圧縮空気の供給量が不足した場合には、圧縮モードのタービンコンプレッサー装置１をバックアップ用のコンプレッサーとして機能させることが可能となる。これにより、重量制限の厳しい航空機Ｊにおいて、バックアップ用のコンプレッサーと、エネルギー回収用のタービン発電機とを個別に設ける場合と比較して、搭載機器の重量増大を抑制しつつ、高効率かつ冗長性の高い航空機用換気システム（タービンコンプレッサーシステム４００）を得ることができる。

　また、第４実施形態では、上記のように、膨張モード時に、電動コンプレッサーにより圧縮された圧縮空気との熱交換により、膨張前空気に熱を付与してタービンコンプレッサー装置１に供給する再生熱交換器４０３をタービンコンプレッサーシステム４００に設ける。これにより、圧縮によって温度上昇した圧縮空気との熱交換によって、膨張前空気の温度を上昇させ、遠心翼車１０によって得られる動力（発電電力）を増大させることができる。この結果、タービンコンプレッサーシステム４００のエネルギー効率を向上させることができる。

　次に、第４実施形態によるタービンコンプレッサーシステムの作用について説明する。以下では、第４実施形態によるタービンコンプレッサーシステム４００において仮想的な運用条件を設定した試算結果を示す。

　一例として、乗客乗員が１５０人搭乗する航空機Ｊを例に考える。また、航空機Ｊが巡航する高度は、４００００ｆｔ（＝１２１９２ｍ）、巡航速度は０．８マッハとする。機外圧力が０．１８６気圧（＝１８．８２ｋＰａ）、機外温度－４０℃（＝２３３．１５Ｋ）とすると、外気の取り入れ口におけるよどみ点圧力は２８．７２ｋＰａ、よどみ点温度は２６２．９９Ｋとなる。機内の気圧を０．７４３気圧（＝７５．２７ｋＰａ）とし、機内空気の温度を２４．８５℃（２９８．００Ｋ）とする。機外Ｅｘ４から取り入れる空気の量を０．５５ＬＢＳ／ｍｉｎ×１５０人＝８２．５ＬＢＳ／ｍｉｎ（＝０．６２３７ｋｇ／ｓ）とする。

（電動コンプレッサーの設定）
　電動コンプレッサー４０２ａ（４０２ｂ）は、１台につき４５．０ＬＢＳ／ｍｉｎ（＝０．３４０ｋｇ／ｓ）の圧縮能力とする。
　圧縮動作：２５．０ｋＰａから７７．５ｋＰａ（圧力比=３．１）の昇圧とする。
　圧縮効率：８５％、空気流量：０．３４０ｋｇ／ｓとする。
　温度：２６２．９９Ｋ（圧縮前）から、３８１．０７Ｋ（圧縮後）に上昇するとする。
　圧縮に要する動力＝４０．３５ｋＷ。モータ効率９０％とすれば、１台当り４４．８３ｋＷの電力消費となる。

（タービンコンプレッサー装置１における通常動作：膨張モード）
　遠心翼車１０で膨張する空気量は５０．０ＬＢＳ／ｍｉｎ（＝０．３７８ｋｇ／ｓ）とする。
　圧力：７５．０ｋＰａ（膨張前）から、１９．０ｋＰａ（放出時、後方向に放出）とし、圧力比＝１／３．９５の膨張とする。
　膨張効率：８０％、空気流量：０．３７８ｋｇ／ｓとする。
　膨張前空気は、再生熱交換器４０３における圧縮空気との熱交換により、３７０Ｋまで上昇するものとする。
　温度：３７０．００Ｋ（膨張前）から、２７３．９１Ｋ（膨張後）に降下するとする。
　膨張で発生する軸動力＝３６．５０ｋＷ。発電効率９０％とすれば、３２．８５ｋＷの電力回収（発電）となる。
　電動コンプレッサー２台分の電力消費を考慮すれば、３２．８５／（４４．８３×２）＝０．３６６。これにより、与圧・換気に要する消費電力は６３．３%まで削減される。

（タービンコンプレッサー装置１におけるバックアップ動作：圧縮モード）
　電動コンプレッサー１台が停止した状態（図８（ｂ））を想定する。
　低圧側部分での体積流量が膨張モード時（０．３７８ｋｇ／ｓ）と等しくなる空気量は、０．３７８×（２７３．９１／２６２．９９）×（２５．０／１９．０）＝０．５１８ｋｇ／ｓである。
　電動コンプレッサー１台の空気流量（０．３４０ｋｇ／ｓ）と比較すれば、タービンコンプレッサー装置１によって十分な流量を確保することが可能になる。
　そこで、ノズルとして作用させる可動ベーン１２を調整し、流量を絞ることで電動コンプレッサー１台分の４５．０ＬＢＳ／ｍｉｎ（=０．３４０ｋｇ／ｓ）の流量を維持する。圧縮状態は、電動コンプレッサーと同等の効率での圧縮が実現すれば、上述の電動コンプレッサーでの計算値と同じ結果となる。すなわち、圧縮に要する動力＝４０．３５ｋＷ。モータ効率を９０％とすれば、１台当り４４．８３ｋＷの電力消費となる。

　以上試算した通り、タービンコンプレッサー装置１により、膨張モード時には発電によるエネルギー回収の結果、消費電力を削減させた高効率な運用が可能である。一方、圧縮モード時には、タービンコンプレッサー装置１をバックアップ用コンプレッサーとして機能させ、圧縮空気供給量が不足した場合にも対応可能な冗長性の高い運用が可能である。

　なお、第４実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

　（第３変形例）
　上記第４実施形態では、再生熱交換器４０３により膨張前空気を昇温するように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。この第３変形例では、再生熱交換器に加えて、図９に示すヒートシンクにより膨張前空気を昇温させる構成の例について説明する。

　図９に示すように、第３変形例によるタービンコンプレッサーシステム４００ａでは、再生熱交換器４０３からタービンコンプレッサー１に至る空気流路に、ヒートシンク４３１、４３２および４３３が設けられている。ヒートシンク４３１、４３２および４３３は、それぞれ本発明の「放熱器」の一例である。

　ヒートシンク４３１は、電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂのモータ４２２にそれぞれ取り付けられており、コンプレッサー作動時にモータ４２２で発生する熱を放熱する機能を有する。ヒートシンク４３２は、電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂのモータ４２２を駆動するためのインバータ４２３に、それぞれ取り付けられている。ヒートシンク４３２は、コンプレッサー作動時にインバータ４２３で発生する熱を放熱する機能を有する。

　また、ヒートシンク４３３は、タービンコンプレッサーシステム４００ａの各部への電力供給を制御するための電力制御部４４０に取り付けられている。電力制御部４４０は、インバータ回路やチョッパ回路などを含む電力変換回路を備え、電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂのインバータ４２３への電力供給や、タービンコンプレッサー装置１のモータ・ジェネレータ２０への電力供給およびモータ・ジェネレータ２０からの発電電力の電力変換などを行う。ヒートシンク４３３は、電力制御部４４０で発生する熱を放熱する。

　再生熱交換器４０３からタービンコンプレッサー装置１に供給される膨張前空気は、これらのヒートシンク４３１、４３２および４３３との熱交換によって、モータ４２２、インバータ４２３および電力制御部４４０を冷却する一方、モータ４２２、インバータ４２３および電力制御部４４０で発生する熱によって昇温される。これにより、膨張前空気のエネルギー量を増加させることができるので、タービンコンプレッサー装置１での発電量を増加させることができる。また、インバータ４２３および電力制御部４４０では、スイッチング素子の動作に伴い大きな熱が発生し、動作上、適切な冷却が必要となる。このため、第３変形例では、これらのインバータ４２３および電力制御部４４０の効率的な冷却と、膨張前空気のエネルギー量の増大による発電量の増加との両方を実現することが可能である。

　この第３変形例では、上記のように、モータ４２２から発生する熱を膨張前空気に付与するヒートシンク４３１と、インバータ４２３から発生する熱を膨張前空気に付与するヒートシンク４３２と、電力制御部４４０から発生する熱を膨張前空気に付与するヒートシンク４３３とをそれぞれタービンコンプレッサーシステム４００ａに設ける。この結果、ヒートシンク４３１、４３２および４３３によって膨張前空気の温度を上昇させ、遠心翼車１０によって得られる動力（発電電力）を増大させることができる。これにより、タービンコンプレッサーシステム４００ａのエネルギー効率を向上させることができる。

　なお、この第３変形例では、ヒートシンク４３１、４３２および４３３をそれぞれ設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ヒートシンク４３１、４３２および４３３のうち、いずれか１つまたは２つだけを設けてもよい。この場合でも、エネルギー効率の向上を図ることができる。あるいは、熱源の例として、レーダー装置や通信機器等を搭載する機体においては、このような電気・電子機器からの廃熱を利用してもよい。

　（第５実施形態）
　次に、図１、図１０～図１３を参照して、本発明の第５実施形態によるタービンコンプレッサーシステム５００の全体構成について説明する。第５実施形態では、上記第４実施形態によるタービンコンプレッサーシステム（航空機用換気システム）の他の一例について説明する。なお、上記第４実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。タービンコンプレッサーシステム５００は、本発明の「航空機用換気システム」の一例である。

　第５実施形態によるタービンコンプレッサーシステム５００は、複数（２台）のタービンコンプレッサー装置５０１を備えている。第５実施形態では、電動コンプレッサー４０２ａおよび４０２ｂを設けた上記第４実施形態とは異なり、タービンコンプレッサー装置５０１が、電力を用いて機外空気を圧縮して機内に取り入れるための電動コンプレッサーとして機能するように構成されている。

　タービンコンプレッサー装置５０１は、遠心翼車５１０と、遠心翼車５１０と同軸に取り付けられた圧縮翼車４２１とを備えており、遠心翼車５１０と圧縮翼車４２１とが一体回転するように構成されている。また、タービンコンプレッサー装置５０１は、上記第１実施形態によるタービンコンプレッサー装置１のモータ・ジェネレータ２０とは異なり、圧縮モードおよび膨張モードの両方でモータとして機能するモータ（回転電機）５２０を備えている。なお、モータ５２０の構成は、上記第１実施形態のモータ・ジェネレータ２０と同様である。遠心翼車５１０および圧縮翼車４２１は、それぞれ、本発明の「第１回転翼部」および「第２回転翼部」の一例である。

　タービンコンプレッサー装置５０１は、膨張モードでは、圧縮前空気を遠心翼車５１０に供給して動力を発生させ、この動力を圧縮翼車４２１を駆動するための補助動力として利用するように動作する。また、タービンコンプレッサー装置５０１は、圧縮モードでは、モータ５２０が遠心翼車５１０および圧縮翼車４２１の両方を駆動して圧縮空気の供給能力を増大させるように動作する。そこで、第５実施形態では、圧縮翼車４２１の動作を考慮して、遠心翼車５１０は、膨張モードおよび圧縮モードの両方で、同一方向に回転するように構成されている。

　図１１は、遠心翼車５１０の空気流入部および流出部（空気流路ＡＰ１）の構成を模式的に示している。第５実施形態では、遠心翼車５１０の先端翼部５１０ａは、上記第１実施形態の先端翼部１０ａとは異なり、低圧路５１１に近い部分にひねり（傾斜）を与えない直線形状に形成されており、放射状部５１０ｂから先端翼部５１０ａまで直線放射状の翼形状に形成されている。

　低圧路５１１には、多数の可動式のガイドベーン５１４が周状に並ぶように装着されている。各ガイドベーン５１４は、弧状に湾曲した曲面状形状を有し、それぞれガイドベーン軸５６１回りに回動可能な状態で保持されている。ガイドベーン５１４は、圧縮モード時には、図１１（ａ）に示すように、一端５１４ａが低圧路５１１側で空気流入方向（Ａ方向）に沿う方向を向き、他端５１４ｂが翼車側で遠心翼車５１０の回転方向（Ｃ３方向）に沿った方向を向く第３位置Ｐ３に配置される。

　また、ガイドベーン５１４は、膨張モード時には、図１１（ｂ）に示すように、一端５１４ａが翼車側で回転方向（Ｃ３方向）と向かい合い（回転方向と逆方向を向き）、他端５１４ｂが低圧路５１１側で空気流出方向（Ａ方向）に沿う方向を向く第４位置Ｐ４に配置される。これにより、ガイドベーン５１４は、第３位置Ｐ３に配置される圧縮モード時には、吸込空気に強い旋回方向（Ｃ３方向）の速度成分を付与し、第４位置Ｐ４に配置される膨張モード時には、遠心翼車５１０から出る空気の旋回方向の速度成分を出口方向（Ａ方向）の流れに変えるように動作する。なお、第３位置Ｐ３および第４位置Ｐ４は、それぞれ、本発明の「空気供給位置」および「空気排出位置」の一例である。

　このように第５実施形態によるタービンコンプレッサー装置５０１では、膨張モード時と圧縮モード時とでガイドベーン５１４の向きを変え、遠心翼車５１０の回転方向は変えずに空気流れの方向を変化させることによって、各モードに応じた機能（圧縮機能、膨張機能）を発揮するように構成されている。なお、図１１では、説明の便宜のため、低圧路５１１の端部部分と遠心翼車５１０との間隔を大きくして示しているが、実際の間隔はより小さく、低圧路５１１の端部部分（ガイドベーン５１４）と遠心翼車５１０とは接近した配置となる。

　図１２は、タービンコンプレッサー装置５０１のスクロール（高圧路５１３）部分の外部形態を示している。低圧路５１１の外周部には、ガイドベーン軸５６１（ガイドベーン５１４）を回動駆動するための機構（たとえばリングギヤ）を収納した機構部５６２と、機構部５６２に取り付けられたガイドベーン駆動用のモータ５６３とが設けられており、これによりガイドベーン５１４が移動される。また、図１１に示すように、低圧路５１１内には、ガイドベーン５１４の中心側の保持と、流路の滑らかな変化を与えるためのハブカバー５１１ａが設けられている。

　また、遠心翼車５１０の外周側（高圧路５１３側、図１２参照）に配置された多数の可動ベーン５１２は、上記第１実施形態とは異なり、可動ベーン５１２の一端５１２ａを支点（回転軸）として、他端５１２ｂが回動可能なように設けられている。これにより、可動ベーン５１２は、図１１（ａ）の圧縮モード時には他端５１２ｂが遠心翼車５１０から離れた第１位置Ｐ５に位置し、図１１（ｂ）の膨張モード時には他端５１２ｂが遠心翼車５１０に近接する第２位置Ｐ６に位置するように構成されている。なお、図１１では、多数のガイドベーン５１４および可動ベーン５１２のうち、一部のみを図示している。

　図１２に示すように、第５実施形態では、高圧路５１３には、圧縮モードにおける圧縮空気の出口ポート５１３ａと、膨張モード時における膨張前空気の入口ポート５１３ｂとが設けられている。これらの出口ポート５１３ａおよび入口ポート５１３ｂと、高圧路５１３とのそれぞれの接続部分には、流路を開閉するバタフライ弁（図示せず）と、バタフライ弁を開閉する開閉モータ５１３ｃとが設けられている。バタフライ弁の開閉により、圧縮モード時には、低圧路５１１から流入して出口ポート５１３ａに至るＦＬ１方向に空気が流れ、膨張モード時には、入口ポート５１３ｂから高圧路５１３に流入して低圧路５１１に至るＦＬ２方向に空気が流れることになる。

　以上の構成により、第５実施形態によるタービンコンプレッサー装置５０１では、膨張モードおよび圧縮モードの両方で、遠心翼車５１０を同一方向に回転させる構成が実現されている。

　航空機の通常運用時には、タービンコンプレッサーシステム５００は、図１０に示す形態で運用される。２台のタービンコンプレッサー装置５０１は膨張モードで動作し、機外Ｅｘ４から取り込まれた外気は圧縮翼車４２１に供給される。これにより、タービンコンプレッサー装置５０１は、モータ５２０により圧縮翼車４２１を駆動して圧縮した圧縮空気をキャビンＪ１に供給する。一方、機外に放出される換気空気は、膨張前空気としてタービンコンプレッサー装置５０１の遠心翼車５１０に供給される。これにより、膨張前空気の膨張によって遠心翼車５１０が回転され、膨張エネルギーに応じた軸動力が発生する。このため、タービンコンプレッサー装置５０１のそれぞれのモータ５２０は、圧縮翼車４２１の駆動に必要な動力から、遠心翼車５１０において発生した軸動力を差し引いた駆動力を発生することで運用できるので、通常運用時には低いモータ負荷量による高効率の運転が実現する。

　次に、故障発生時には、タービンコンプレッサーシステム５００は、図１３（ａ）または（ｂ）に示す形態で運用される。なお、以下では説明の便宜のため、２台のタービンコンプレッサー装置５０１のうち、一方をタービンコンプレッサー装置５０１ａ、他方をタービンコンプレッサー装置５０１ｂとして説明する。

　故障として発生する可能性が大きいものとして、図１３（ａ）に示したモータ５２０の機能停止（モータ回路の断線および短絡や、電力素子の破壊などによりモータ５２０のみが機能不能となるようなケース）と、図１３（ｂ）に示したタービンコンプレッサー装置自体の動作不能（軸受の破損や遠心翼車５１０または圧縮翼車４２１の接触で回転体が回転不能となるようなケース）とが考えられる。なお、いずれも、タービンコンプレッサー装置５０１ｂが故障した場合の例を示している。

　図１３（ａ）のケースでは、タービンコンプレッサー装置５０１ｂのモータ５２０は駆動力を失うものの、回転構造自体には支障がない。そこで、モータ５２０が故障したタービンコンプレッサー装置５０１ｂの遠心翼車５１０に対して、機外への放出空気を膨張前空気として集中して供給する（タービンコンプレッサー装置５０１ａには膨張前空気を供給しない）。

　この結果、機体からの漏れ量などを除いても、換気量の半分以上の空気を遠心翼車５１０に対して供給することが可能となるので、モータ５２０を駆動することなく遠心翼車５１０から得られる軸動力のみによって、圧縮翼車４２１による圧縮空気の供給を継続することが可能となる。タービンコンプレッサー装置５０１ｂの圧縮空気流量をタービンコンプレッサー装置５０１ａ側よりやや少なく設定することで、軸動力をバランスさせ、モータ５２０の故障時にも２台のタービンコンプレッサー装置５０１ａおよび５０１ｂによる圧縮空気供給を継続することができる。

　図１３（ｂ）のケースでは、タービンコンプレッサー装置５０１ｂは回転構造自体が動作不能となるため、タービンコンプレッサー装置５０１ａのみが動作可能となる。このため、タービンコンプレッサー装置５０１ａは、モータ５２０に定格上限の駆動力を発生させるとともに、圧縮翼車４２１および遠心翼車５１０の両方を用いた圧縮モードによる圧縮空気供給を行う。この結果、モータ回転数は通常運用時と同じ程度で、機外空気の圧縮量を大幅に増加させることが可能になる。これにより、不必要に圧力比を高めることを防ぎ、タービンコンプレッサー装置５０１ａのみにより無駄なくかつ圧縮空気量を増大させたバックアップ作動が実現される。この圧縮モードによる作動時も、遠心翼車５１０の回転方向が変わらないため、直結している圧縮翼車４２１の動作（回転方向）を変化させることなく、膨張モードと圧縮モードとの切り替えが実現される。

　第５実施形態のその他の構成は、上記第４実施形態と同様である。

　第５実施形態では、上記のように、タービンコンプレッサー装置５０１を、圧縮モード時には、モータ５２０が遠心翼車５１０および圧縮翼車４２１を回転駆動し、膨張モード時には、遠心翼車５１０により発生する動力を補助動力としてモータ５２０が圧縮翼車４２１を回転駆動するように構成する。これにより、膨張モード時には、遠心翼車５１０により発生する動力でモータ５２０の負荷を軽減させた効率的な運用が可能となる。一方、圧縮モード時には、遠心翼車５１０および圧縮翼車４２１の両方で予圧用の圧縮空気を供給することができるので、圧縮空気の供給量が不足した場合にも供給量を増大させることができる。これにより、重量制限の厳しい航空機Ｊにおいて、バックアップ用のコンプレッサーを別途設ける場合と比較して、搭載機器の重量増大を抑制しつつ、高効率かつ冗長性の高い航空機用換気システム（タービンコンプレッサーシステム５００）を得ることができる。

　また、第５実施形態では、上記のように、複数のタービンコンプレッサー装置５０１（５０１ａおよび５０１ｂ）を設け、複数のタービンコンプレッサー装置５０１のいずれか（たとえば５０１ｂ）のモータ５２０が機能停止した場合には、タービンコンプレッサー装置５０１ｂを膨張モードで動作させるとともに膨張前空気を集中して供給し、遠心翼車５１０により発生した動力により圧縮翼車４２１を駆動するように構成する。また、複数のタービンコンプレッサー装置５０１のいずれか（たとえば５０１ｂ）が動作不能となった場合には、動作可能なタービンコンプレッサー装置５０１ａを圧縮モードで動作させるように構成する。これにより、モータ５２０またはタービンコンプレッサー装置５０１自体が機能停止した場合でも、十分な圧縮空気の供給量を確保することができる。また、モータ５２０が機能停止した場合でも、膨張モードでの動作により圧縮空気の継続供給が可能であるので、正常なタービンコンプレッサー装置５０１ａの側のモータ５２０の負荷が増大するのを抑制することができる。

　また、第５実施形態では、上記のように、タービンコンプレッサー装置５０１の遠心翼車５１０を、圧縮モードと膨張モードとで同一方向に回転するように構成する。これにより、圧縮モードと膨張モードとを切り替える構成においても、圧縮翼車４２１は、同一方向に回転して空気圧縮を行う圧縮専用の設計を採用することができるので、高効率な圧縮空気供給を可能とすることができる。

　また、第５実施形態では、上記のように、圧縮モード時には、遠心翼車に向かう空気に回転方向の速度成分を付与する第３位置Ｐ３に位置し、膨張モード時には、遠心翼車から排出される旋回した空気の回転方向の速度成分を低減する第４位置Ｐ４に位置するように移動される可動式のガイドベーン５１４をタービンコンプレッサー装置５０１に設ける。これにより、圧縮モード時には第３位置Ｐ３に配置したガイドベーン５１４によってスムーズに空気を遠心翼車５１０に送り込むことができ、膨張モード時には、遠心翼車５１０から排出される空気を、第４位置Ｐ４に配置したガイドベーン５１４によって低損失で送り出すことができる。

　なお、今回開示された実施形態および変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および変形例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

　たとえば、上記第２実施形態では、航空機搭載の補助動力システムとしてのタービンコンプレッサーシステムの例を示し、上記第３実施形態では、固定設置型の電力変換システムとしてタービンコンプレッサーシステムの例を示したが、本発明はこれに限られない。補助動力システムや電力変換システム以外の用途のタービンコンプレッサーシステムに本発明を適用してもよい。

　また、上記第１実施形態では、本発明の「回転翼部」の一例として、タービンコンプレッサー装置１に遠心翼車１０を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、完全な遠心方向流れとせず、多少軸方向の速度成分も含まれる斜流タイプの回転翼部をタービンコンプレッサー装置に設けてもよい。

　また、上記第１実施形態では、遠心翼車の段数が１段のタービンコンプレッサー装置の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、２段以上の翼車を採用してもよい。

　また、上記第１実施形態では、遠心翼車の放射状部を直線放射状とした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、放射状部を回転方向に前進させた前進翼または回転方向に対して後退させた後退翼形状としてもよい。

　また、上記第１実施形態では、圧縮モードと膨張モードとで遠心翼車の回転方向を変えるようにタービンコンプレッサー装置を構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、圧縮モードと膨張モードとで遠心翼車の回転方向が同じになるようにタービンコンプレッサー装置を構成してもよい。

　また、上記第１実施形態では、ディフューザーとして機能する第１位置Ｐ１と、ノズルとして機能する第２位置Ｐ２とに移動する可動ベーンをタービンコンプレッサー装置に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、タービンコンプレッサー装置の性能に余裕がある場合には、ディフューザーとノズルとの中間の特性を持った固定ベーンをタービンコンプレッサー装置に設けてもよい。

　また、上記第１実施形態では、表面磁石（ＳＰＭ）構造のモータ・ジェネレータをタービンコンプレッサー装置に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、表面磁石構造以外のたとえば埋め込み磁石構造（ＩＰＭ）のモータ・ジェネレータなどをタービンコンプレッサー装置に設けてもよい。

　また、上記第２および第３実施形態では、燃焼器（昇温部）と触媒部と、再生熱交換器とを含む昇温ユニットをタービンコンプレッサーシステムに設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば触媒部および再生熱交換器の一方または両方の必要性が低い場合には、これらの触媒部および再生熱交換器の一方または両方を省略してもよい。

　また、上記第３実施形態では、筐体と天井部とを含むガスホルダを備えた固定設置型のタービンコンプレッサーシステムの例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば袋状のガスホルダをタービンコンプレッサーシステムに設けて、この袋状のガスホルダを海中または海底に設置してもよい。この場合、水圧によってガスホルダ内の圧力が維持されるため、所望の圧力が得られる水深に設置することにより、圧縮空気を貯蔵可能なガスホルダを得ることが可能である。これにより、強固な筐体や天井部を設ける必要がないためガスホルダを容易に設けることが可能であるとともに、ガスホルダを海中または海底に設置することにより陸上の設置スペースが不要となるので、省スペース化を図ることが可能である。

　また、上記第２および第３実施形態において示したタービンコンプレッサーシステムにおける流路構成はあくまでも一例であり、流路（配管）の接続方式は図示のものに限られない。たとえば、上記第２および第３実施形態において示した切替弁や仕切弁とは異なる弁体を用いてもよい。また、切替弁や仕切弁を上記第２および第３実施形態において示した位置とは異なる位置に配置してもよい。

　また、上記第４実施形態では、２台の電動コンプレッサーと、１台のタービンコンプレッサー装置とを設けた例を示し、上記第５実施形態では、コンプレッサーとして機能する２台のタービンコンプレッサー装置を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。電動コンプレッサーおよびタービンコンプレッサー装置の設置数は、航空機の構成や、電動コンプレッサーおよびタービンコンプレッサー装置の性能に応じて設ければよい。

　また、上記第４および第５実施形態において示したタービンコンプレッサーシステムの構成は一例であり、たとえば再生熱交換器や、冷却システムなどは、必要性が低い場合には設けなくともよい。

１　タービンコンプレッサー装置
１０、５１０　遠心翼車（回転翼部、第１回転翼部）
１２　可動ベーン
２１　ロータ
２１ｂ　永久磁石
２２ｂ　巻線
１０１　エンジンスタータータービン
１１０、２１０　昇温ユニット
１１１　燃焼器（昇温部）
１１３　再生熱交換器（第１熱交換器）
２２０　蓄熱ユニット
２３０　ガスホルダ（圧縮空気貯蔵部）
１００、２００　タービンコンプレッサーシステム
３１１　昇温部
４００、４００ａ、５００　タービンコンプレッサーシステム（航空機用換気システム）
４０３　再生熱交換器（第２熱交換器）
４２１　圧縮翼車（第２回転翼部）
４３１、４３２、４３３　ヒートシンク（放熱器）
５１４　ガイドベーン
５２０　モータ
Ｊ　航空機
Ｐ１、Ｐ５　第１位置
Ｐ２、Ｐ６　第２位置
Ｐ３　第３位置（空気供給位置）
Ｐ４　第４位置（空気排出位置）

Claims

　回転翼部と、
　前記回転翼部と一体的に回転するロータと、
　前記ロータを回転させる巻線とを備え、
　前記回転翼部は、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成されており、
　前記圧縮モード時には、前記巻線と前記ロータとがモータとして動作され、
　前記膨張モード時には、前記巻線と前記ロータとが発電機として動作されるように構成されている、タービンコンプレッサー装置。
　前記回転翼部は、前記圧縮モードと前記膨張モードとで回転方向を変えることにより前記圧縮モードと前記膨張モードとの両方で動作可能な遠心翼車を含む、請求項１に記載のタービンコンプレッサー装置。
　前記圧縮モード時には、前記遠心翼車から排出される圧縮された空気を減速させやすい第１位置に位置し、前記膨張モード時には、前記遠心翼車に向かう膨張前空気を前記遠心翼車に適切な角度で流入させる第２位置に位置するように移動される可動ベーンをさらに備える、請求項２に記載のタービンコンプレッサー装置。
　前記ロータは、永久磁石を含み、
　前記永久磁石を含むロータと、前記巻線とは、前記圧縮モード時に、同期モータとして動作されるように構成されている、請求項１に記載のタービンコンプレッサー装置。
　回転翼部と、
　前記回転翼部と一体的に回転するロータと、
　前記ロータを回転させる巻線とを備え、
　前記回転翼部は、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成されており、
　前記圧縮モード時には、前記巻線と前記ロータとがモータとして動作され、
　前記膨張モード時には、前記巻線と前記ロータとが発電機として動作されるように構成されている、タービンコンプレッサー装置を備える、タービンコンプレッサーシステム。
　前記回転翼部に膨張前空気を供給するとともに前記回転翼部から圧縮空気を排出するための空気流路に設けられ、前記圧縮モード時に、前記回転翼部により圧縮された空気に熱エネルギーを付与するか、または、前記膨張モード時に、前記回転翼部に供給される膨張前空気に熱エネルギーを付与するかの少なくともいずれか一方の熱エネルギー付与動作を行う昇温ユニットをさらに備える、請求項５に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　前記タービンコンプレッサー装置および前記昇温ユニットは、航空機に搭載されており、
　前記圧縮モード時には、前記タービンコンプレッサー装置により圧縮された空気を前記昇温ユニットにより昇温してエンジンスタータータービンに供給し、前記膨張モード時には、メインエンジン始動後に前記メインエンジンから抽出される圧縮空気を前記昇温ユニットにより昇温して膨張前空気として前記タービンコンプレッサー装置に供給するように構成されている、請求項６に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　前記航空機に搭載された昇温ユニットは、
　前記圧縮モード時に、前記回転翼部により圧縮された空気に熱エネルギーを付与するとともに、前記膨張モード時に、前記回転翼部に供給される膨張前空気に熱エネルギーを付与する燃焼方式または燃料電池方式の昇温部と、
　前記膨張モード時に膨張後の高温空気との熱交換により前記メインエンジンから抽出される圧縮空気に熱を付与して前記昇温部に供給する第１熱交換器とを含む、請求項７に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　前記回転翼部に膨張前空気を供給するとともに前記回転翼部から圧縮空気を排出するための空気流路に設けられ、圧縮モード時に、前記回転翼部から排出された温度上昇された圧縮空気が通過することにより蓄熱を行うとともに、前記膨張モード時に、前記回転翼部に供給される膨張前空気を予熱する蓄熱ユニットをさらに備える、請求項５に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　前記回転翼部に膨張前空気を供給するとともに前記回転翼部から圧縮空気を排出するための空気流路につながるように設けられ、圧縮モード時に、前記回転翼部から排出された圧縮空気を貯蔵するとともに、前記膨張モード時に、貯蔵した圧縮空気を前記回転翼部に供給する圧縮空気貯蔵部をさらに備える、請求項５に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　前記タービンコンプレッサー装置は、航空機に搭載されており、
　前記膨張モード時には、換気のため機外に排出される機内空気の少なくとも一部を膨張前空気として前記タービンコンプレッサー装置に供給して低い機外圧力まで膨張させて排気し、前記圧縮モード時には、機外空気を前記タービンコンプレッサー装置により圧縮して機内に取り込むように構成されている、請求項５に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　電力を用いて機外空気を圧縮して機内に取り入れるための電動コンプレッサーをさらに備え、
　前記航空機の通常運用時には、前記電動コンプレッサーによって圧縮された機内空気を膨張前空気として前記タービンコンプレッサー装置に供給するとともに前記タービンコンプレッサー装置を前記膨張モードで動作させ、
　機内に取り込まれる圧縮空気の供給量が不足した場合には、前記タービンコンプレッサー装置を前記圧縮モードで動作させるように構成されている、請求項１１に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　前記膨張モード時に、前記電動コンプレッサーにより圧縮された前記圧縮空気との熱交換により、前記膨張前空気に熱を付与して前記タービンコンプレッサー装置に供給する第２熱交換器をさらに備える、請求項１２に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　前記電動コンプレッサーのモータから発生する熱と、前記電動コンプレッサーのモータを駆動するインバータから発生する熱と、前記航空機内に電力を供給するために電力を制御する電力制御部から発生する熱との、少なくともいずれかの熱を放熱して前記膨張前空気に付与する放熱部をさらに備える、請求項１２に記載のタービンコンプレッサーシステム。
　航空機に搭載される航空機用換気システムであって、
　第１回転翼部と、
　前記第１回転翼部と一体的に回転するロータと、
　前記ロータを回転させる巻線とを含み、
　前記第１回転翼部は、空気を圧縮する圧縮モードと空気を膨張させる膨張モードとの両方で動作可能なように構成されており、
　前記圧縮モード時には、機外空気を圧縮して機内に取り入れ、
　前記膨張モード時には、換気のため機外に排出される機内空気の少なくとも一部を膨張前空気として前記第１回転翼部に供給して、動力を発生させるように構成されている、タービンコンプレッサー装置を備える、航空機用換気システム。
　電力を用いて機外空気を圧縮して機内に取り入れるための電動コンプレッサーをさらに備え、
　前記タービンコンプレッサー装置は、前記圧縮モード時には、前記巻線と前記ロータとがモータとして動作され、前記膨張モード時には、前記巻線と前記ロータとが発電機として動作されるように構成されており、
　前記航空機の通常運用時には、前記タービンコンプレッサー装置を前記膨張モードで動作させ、
　機内に取り込まれる圧縮空気の供給量が不足した場合には、前記タービンコンプレッサー装置を前記圧縮モードで動作させるように構成されている、請求項１５に記載の航空機用換気システム。
　前記タービンコンプレッサー装置は、
　前記第１回転翼部と一体で回転し、空気を圧縮する第２回転翼部をさらに含み、
　前記圧縮モード時および前記膨張モード時の両方において、前記巻線と前記ロータとがモータとして動作されるように構成されており、
　前記圧縮モード時には、前記モータが前記第１回転翼部および前記第２回転翼部を回転駆動し、
　前記膨張モード時には、前記第１回転翼部により発生する動力を補助動力として前記モータが前記第２回転翼部を回転駆動するように構成されている、請求項１５に記載の航空機用換気システム。
　複数の前記タービンコンプレッサー装置を備え、
　複数の前記タービンコンプレッサー装置のいずれかの前記モータが機能停止した場合には、前記モータが機能停止した前記タービンコンプレッサー装置を前記膨張モードで動作させるとともに前記膨張前空気を集中して供給し、前記第１回転翼部により発生した動力により前記第２回転翼部を駆動するように構成され、
　複数の前記タービンコンプレッサー装置のいずれかが動作不能となった場合には、動作可能な前記タービンコンプレッサー装置を前記圧縮モードで動作させるように構成されている、請求項１７に記載の航空機用換気システム。
　前記タービンコンプレッサー装置の前記第１回転翼部は、前記圧縮モードと前記膨張モードとで同一方向に回転するように構成された遠心翼車を含む、請求項１７に記載の航空機用換気システム。
　前記タービンコンプレッサー装置は、前記圧縮モード時には、前記遠心翼車に向かう空気に回転方向の速度成分を付与する空気供給位置に位置し、前記膨張モード時には、前記遠心翼車から排出される旋回した空気の回転方向の速度成分を低減する空気排出位置に位置するように移動される可動式のガイドベーンをさらに備える、請求項１９に記載の航空機用換気システム。