JP4096321B1 - 循環式内圧機関及び発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料資源に起因する問題を起こさずに、従来の内燃機関によるのと同等程度以上のエネルギを効率よく取り出すこと
【解決手段】高圧状態で供給される炭酸ガス３５ａの体積膨張による力により作動子を駆動する炭酸ガスエンジン１と、上記炭酸ガスエンジン１から排出される炭酸ガス３５ｂを回収するタンクと、該タンクに回収された排出炭酸ガス３５ｂを吸引するポンプと、上記ポンプより送給される上記排出炭酸ガス３５ｂを冷却する冷却装置５７と、該冷却装置より送給される冷却された排出炭酸ガス３５ｂを高圧にて圧縮する炭酸ガス圧縮機５９と、該圧縮機５９より送給される炭酸ガスを貯溜する循環タンク７３とからなり、上記各部をパイプ３３により連結して炭酸ガスが循環する循環回路３４を構成する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、炭酸ガスの物理的性状を最大限に活用した、燃料の燃焼を伴わずにエネルギを取り出す循環式内圧機関及びこれを使用した発電システムに関する。

内燃機関は機関の内部で燃料を燃焼させてその熱エネルギを利用する。使用する燃料のちがいによりガソリン機関、ガス機関、石油機関等種々のものがあり、世界中で広く普及し使用されている。

しかしながら、石油資源の枯渇が懸念されており、また燃焼の結果排出される排気ガスによる公害問題を惹起している。

外燃機関も燃料を燃焼させるという点で、上記した問題、即ち、資源の枯渇や排気ガスによる公害問題を惹起する。

これらを解消すべく、クリーンエネルギとして水素の利用が注目されているが、取扱いが至難のため、開発に行き詰まっているのが現状である。また原子力利用は公害乃至環境問題や安全性の点で懸念がある。

このようにエネルギー源の確保が重要である反面、炭酸ガスの増大による弊害とくに地球温暖化問題が指摘されている。日本の炭酸ガス排出量は全世界の５％を占めると言われ、毎年約３８１００万トンもの膨大な量の炭酸ガスが大気中に排出されている。このうち約３割が発電等のエネルギ転換部門が占めている。このような憂慮すべき状態にあるにもかかわらず、世界経済の活発化・発展途上国の発展等により、京都議定書の如き政治的制約を尻目に炭酸ガスの排出は一層増大すると言われ、その有効利用はおろか増大防止を阻止できないでいる。とくに現代生活を支える電力エネルギは炭酸ガスを大量に発生させる石油等の化石燃料を燃焼する火力発電が中心であるため、上記憂慮は深刻である。

本願発明はこのような背景の下に、提唱される全く新しい画期的なエネルギシステムである。

本願発明に関し、先行技術文献の調査をしたが有効な特許文献を発見することができなかった。強いて挙げるとすれば出願人の特許出願に係る次の文献である。
特許第３９２９４７７号

本願発明は燃料の燃焼を伴わずにエネルギを取り出すことにより上記欠点を解消する全く新しい画期的な循環式内圧機関及び発電システムを提案する。

つまり本願発明の目的は、燃料資源に起因する問題を起こさずに、従来の内燃機関によるのと同等程度以上のエネルギを効率よく取り出すことができる循環式内圧機関及び発電システムを供することである。

また他の目的は、エネルギ発生機関乃至発電機関による炭酸ガスの増加を防止することであり、ひいては温暖化現象の防止に寄与することである。

上記目的達成のため、本願発明による循環式内圧機関は、高圧状態で供給される炭酸ガスが大気圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動する炭酸ガスエンジンと、上記炭酸ガスエンジンから排出される炭酸ガスを回収するタンクと、該タンクに回収された炭酸ガスを吸引するポンプと、上記ポンプより送給される炭酸ガスを冷却する冷却装置と、上記冷却装置より送給される冷却された炭酸ガスを高圧にて圧縮する炭酸ガス圧縮機と、上記炭酸ガス圧縮機より送給される炭酸ガスを貯溜する循環タンクとからなり、上記各部をパイプにより連結して炭酸ガスが循環する循環回路を構成することを特徴とする。
また、請求項１記載の循環式内圧機関において、上記循環回路の供給系経路と回収系経路との接点に三方切替弁を設け、該三方切替弁を介して初期タンクを連結し、供給系のパイプ及び回収系のパイプに送給されてくる炭酸ガスの濃度が設定範囲内にあるか否かを検知するセンサを設け、該センサは上記濃度が設定範囲内に満たないときは初期切替信号を発し、設定範囲内であるときは循環切替信号を発することを特徴とする。
また、請求項１又は請求項２いずれか一記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガス圧縮機及び上記ポンプを同一の動力源たる上記炭酸ガスエンジンにて駆動することを特徴とする。
また、請求項１乃至請求項３いずれか一記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンの加熱部に熱風を供給する圧縮機を設け、該圧縮機を上記炭酸ガスエンジンの動力により駆動することを特徴とする。
また、請求項１記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンがレシプロ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする。
また、請求項１記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンがロータリ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする。
また、請求項１記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガス圧縮機が複数からなり、各炭酸ガス圧縮機が上記冷却装置に接続されることを特徴とする。
また、請求項７記載の循環式内圧機関において、上記各炭酸ガス圧縮機は上記冷却装置に直列接続されることを特徴とする。
また、請求項７記載の循環式内圧機関において、上記各炭酸ガス圧縮機は上記冷却装置に並列接続されることを特徴とする。
また、本願発明による発電システムは、高圧状態で供給される炭酸ガスが大気圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動する炭酸ガスエンジンと、上記炭酸ガスエンジンから排出される炭酸ガスを回収するタンクと、該タンクに回収された炭酸ガスを吸引するポンプと、上記ポンプより送給される炭酸ガスを冷却する冷却装置と、上記冷却装置より送給される冷却された炭酸ガスを高圧にて圧縮する炭酸ガス圧縮機と、上記炭酸ガス圧縮機より送給される炭酸ガスを貯溜する循環タンクとからなり、上記各部をパイプにより連結して炭酸ガスが循環する循環回路を構成し、上記炭酸ガスエンジンにより発電することを特徴とする。
また、請求項１０記載の発電システムにおいて、上記循環回路の供給系経路と回収系経路との接点に三方切替弁を設け、該三方切替弁を介して初期タンクを連結し、供給系のパイプ及び回収系のパイプに送給されてくる炭酸ガスの濃度が設定範囲内にあるか否かを検知するセンサを設け、該センサは上記濃度が設定範囲内に満たないときは初期切替信号を発し、設定範囲内であるときは循環切替信号を発することを特徴とする。
また、請求項１０又は請求項１１いずれか一記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガス圧縮機及び上記ポンプを同一の動力源たる上記炭酸ガスエンジンにて駆動することを特徴とする。
また、請求項１０乃至請求項１２いずれか一記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンの加熱部に熱風を供給する圧縮機を設け、該圧縮機を上記炭酸ガスエンジンの動力により駆動することを特徴とする。
また、請求項１０記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンがレシプロ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする。
また、請求項１０記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンがロータリ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする。
また、請求項１０記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガス圧縮機が複数からなり、各炭酸ガス圧縮機が上記冷却装置に接続されることを特徴とする。
また、請求項１６記載の発電システムにおいて、上記各炭酸ガス圧縮機は上記冷却装置に直列接続されることを特徴とする。
また、請求項１６記載の発電システムにおいて、上記各炭酸ガス圧縮機は上記冷却装置に並列接続されることを特徴とする。

本願発明は炭酸ガスの有する３つの優れた物理的性状、即ち、ガスの不活性、常温液化性及び高度の体積膨張性を利用し、高圧状態で内室に供給された炭酸ガスが常圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動させ、これにより発生するエネルギを取り出す。よって、燃料の燃焼を伴わずにエネルギを取り出すから、燃料資源に起因する問題、即ち、資源の枯渇や排気ガスによる公害問題を惹起することがない。よって完全なクリーンエネルギである。

上記エネルギの取出しにおいて、循環回路を構成することにより排出された炭酸ガスを回収して再利用するから、エネルギ効率を非常に増大することができる。

また、炭酸ガスを用いるものの炭酸ガスを生じることがないので、現在以上の炭酸ガスの増加を防止することができ、温暖化現象の防止に寄与することができる。

エネルギ源は資源枯渇のおそれがない炭酸ガスであり、しかも取り出されるエネルギは後述するようにガソリンエンジンと同等程度以上であるから、エネルギの実行性の点でも問題はない。

次に、実施の形態を示す図面に基づき本願発明による循環式内圧機関をさらに詳しく説明する。なお、便宜上同一の機能を奏する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

１は炭酸ガスエンジンであり、気化後の高圧状態で供給される炭酸ガス３５ａの体積膨張による力により作動子を駆動せしめる。炭酸ガスエンジン１は具体的には、図８に例示するレシプロ型炭酸ガスエンジン又は図３及び図５に例示するロータリ型炭酸ガスエンジンである。前者の場合作動子はピストン７であり、後者の場合作動子はロータ１０５、１１５である。

炭酸ガスエンジン１の詳細は後述する。上記炭酸ガスエンジン１に圧料となる炭酸ガス３５ａを供給する供給経路３４Ａと、炭酸ガス３５ｂを回収する回収経路３４Ｂを閉回路に接続し、循環回路３４を構成する。

上記供給経路３４Ａは、具体的には、液体状態のバージン炭酸ガスを貯溜する圧力容器からなる初期タンク３１と、該初期タンク３１に切替弁５１、三方切替弁５４及び流量制御弁５５を介してパイプ３３ａ、３３ｂ、３３ｃにより連結される冷却装置５７と、該冷却装置５７のパイプ３３ｄに連結され炭酸ガスエンジン１の供給口１３、１０７、１１７に接続されるパイプ３３ｅとからなる。

上記回収経路３４Ｂは、具体的には、炭酸ガスエンジン１の排出口１１、１０９、１１９から排出される大気圧の炭酸ガス３５ｂを回収する回収タンク６７と、大気圧の排出炭酸ガス３５ｂよりエンジンオイル成分を分離するフィルタからなる分離装置６８と、該分離装置６８による上記分離処理を経た上記排出炭酸ガス３５ｂをタンク６９に圧送するポンプ６１と、上記タンク６９から送給されてくる上記排出炭酸ガス３５ｂを例えば−３０℃の排気の気化熱等にて冷却する冷却装置５７と、上記冷却装置５７から送給されてくる上記排出炭酸ガス３５ｂを例えば４０気圧に加圧・圧縮する炭酸ガス圧縮機５９と、上記炭酸ガス圧縮機５９から送給されてくる炭酸ガス３５ａを貯溜する圧力容器からなる循環タンク７３とからなり、上記炭酸ガスエンジン１と上記回収タンク６７はパイプ３３ｆにより、上記回収タンク６７と上記分離装置６８とはパイプ３３ｇにより、上記分離装置６８と上記ポンプ６１とはパイプ３３ｈにより、上記ポンプ６１と上記タンク６９とはパイプ３３ｉにより、上記タンク６９と上記冷却装置５７とはパイプ３３ｊにより、上記冷却装置５７と上記炭酸ガス圧縮機５９とはパイプ３３ｌにより、上記炭酸ガス圧縮機５９と上記循環タンク７３とはパイプ３３ｍにより、さらに上記循環タンク７３と上記三方切替弁５４とはパイプ３３ｑにより、各連結されている。なお、上記パイプを総称するときは「パイプ３３」と表わす。

上記供給経路３４Ａと上記回収経路３４Ｂとの接点には上記した三方切替弁５４を設けてあり、上記炭酸ガスエンジン１及び上記三方切替弁５４を介して両経路３４Ａ、３４Ｂが閉回路に接続され、循環回路３４を構成する。また、供給経路３４Ａのパイプ３３ａと回収経路３４Ｂのパイプ３３ｑには炭酸ガス３５ａの濃度を検知するセンサ５３が接続されている。該センサ５３はパイプ３３ａ及びパイプ３３ｑ内を送給されてくる炭酸ガス３５ａの濃度を常に検知し、上記濃度が設定範囲内に満たないときは初期切替信号を発し、設定範囲内であるときは循環切替信号を発する。

上記回収タンク６７にはパイプ３３ｒ、３３ｓにより逆止弁６３及び大気乾燥装置６５が接続されており、排出口１１、１０９、１１９が「開」となったとき炭酸ガス３５ａが大気に触れることができるような構造となっている。炭酸ガスエンジン１から排出される大気圧の炭酸ガス３５ｂは上記ポンプ６１による吸引及び排出時の噴出力により、上記回収タンク６７内に回収される。なお、上記分離装置６８には逆止弁７５が設けられ、分離されたエンジンオイルが該逆止弁７５を介して炭酸ガスエンジン１に戻される。

上記冷却装置５７は、上記パイプ３３ｄと上記パイプ３３ｋとが相互に巻き着くような状態で内蔵され、パイプ３３ｄを流れてくる炭酸ガスの気化熱等によりパイプ３３ｋ内を流れる炭酸ガス３５ｂを冷却する。この冷却ステップを経ることにより、次の炭酸ガス圧縮機５９による炭酸ガス３５ｂの圧縮のためのエネルギを小とすることが可能となる。

冷却装置５７には、高圧の炭酸ガス３５ａが常圧の炭酸ガス３５ｂになって排出口１１９、１０９、１１よりパイプ３３ｆを経て回収されるのであるが、このとき冷却装置５７内に混入している大気は計測ができない程極く微量であるので、この大気が以降の炭酸ガス３５ａ、３５ｂの循環に混入していてもエンジン１の作動にとって実質上全く問題ないことが最近の実験で判明した。炭酸ガスは外界の空気より比重が大であり、かつ、この炭酸ガス３５ａが高圧状態で移動し排出口１１９より噴出する。このため膨張排出行程のとき排出口１１９付近の圧力不均衡部Ｐ₀で炭酸ガス３５ａが大気圧になっても、同圧の外界の空気は内室１０３内に流入してこない。よって冷却装置５７に回収される大気圧となった炭酸ガス３５ｂには冷却装置５７を経由した外界の空気が混入せず、以降の炭酸ガスの循環において空気が混入してこないためと考えられる。よって、空気の混入による実質上の弊害がないので、回収経路３４Ｂに空気を放出するための単離装置を設けなくともよいのである。

初期タンク３１内に貯蔵されている炭酸ガス３５ａは大部分液体状態であるが、一部がタンク内において気体状態となっている場合がある。この場合は液体の炭酸ガス３５ａはタンクの下部に、また気体の炭酸ガス３５ａはタンクの上部に存在する。

図２に本願発明による循環式内圧機関の動作のステップを示す。初期始動は、まず切替弁５１を「開」とし、初期タンク３１よりバージン炭酸ガス３５ａをパイプ３３ａに流す（Ｓ１）。パイプ３３ａを流れてくるバージン炭酸ガス３５ａの濃度はセンサ５３により検知され（Ｓ２）、初期切替信号が発せられる（Ｓ３）。これにより三方切替弁５４が作動し、パイプ３３ａとパイプ３３ｂを「開」としパイプ３３ｂとパイプ３３ｑを「閉」とする「第１開」の状態にする（Ｓ４）。次いでエンジンスロットル用の流量制御弁５５が「開」とされ（Ｓ５）、炭酸ガス３５ａはパイプ３３ｃより冷却装置５７のパイプ３３ｄ内を通って（Ｓ６）、パイプ３３ｅより炭酸ガスエンジン１内に供給される（Ｓ７）。

炭酸ガスエンジン１が炭酸ガス３５ａの体積膨張による力により駆動されると、その動力により例えば自動車が駆動される（図示省略）。このとき同時に上記動力がベルト５８ａにより炭酸ガス圧縮機５９に伝動され、該炭酸ガス圧縮機５９を作動する（Ｓ８）。また上記動力はベルト５８ｂにより圧縮機４９に伝動され、該圧縮機４９を作動する（Ｓ９）。さらに上記動力はベルト５８ｃによりポンプ６１に伝動され、該ポンプ６１を作動する（Ｓ１０）。

上記ポンプ６１は、炭酸ガスエンジン１から排出される大気圧の炭酸ガス３５ｂを吸引し、回収タンク６７内に回収する。この回収の際大気乾燥装置６５により水分が除去された大気が回収タンク６７に流入される（Ｓ１１〜Ｓ１３）。次いで炭酸ガス３５ｂはオイルが分離された後（Ｓ１４）、ポンプ６１によりタンク６９に圧送される（Ｓ１５）。なお、分離されたオイルは炭酸ガスエンジン１に戻される。タンク６９に送給された排出炭酸ガス３５ｂは、パイプ３３ｊより上記冷却装置５７のパイプ３３ｋに送られ、ここでパイプ３３ｄを流れてくる大気圧に曝された炭酸ガスの気化熱等により冷却される（Ｓ１６）。冷却された炭酸ガス３５ｂは炭酸ガス圧縮機５９に送られ、ここで例えばステップ８で述べた駆動力により４０気圧に加圧され炭酸ガス３５ａとされる（Ｓ８）。次いでこの炭酸ガス３５ａはパイプ３３ｍより循環タンク７３に送られ、該循環タンク７３に貯溜される（Ｓ１７）。

始動後においては、センサ５３はパイプ３３ｑとパイプ３３ａを流れる炭酸ガス３５ａの濃度を検知している（Ｓ２）。この炭酸ガス３５ａの濃度が設定範囲内であるときは、循環切替信号を発する（Ｓ３）。この循環切替信号により三方切替弁５４が作動し、パイプ３３ｑとパイプ３３ｂを「開」としパイプ３３ａとパイプ３３ｂを「閉」とする「第２開」の状態にする（Ｓ４）。以降は上記した一連のステップが繰返され、エンジンが連続的に作動する。

ステップ９にて駆動される上記圧縮機４９は、熱風供給パイプ４５、熱風排出パイプ４７より炭酸ガスエンジン１に熱風４０ａ、４０ｂを循環供給し（Ｓ１８）、炭酸ガスエンジン１に供給される高圧状態の炭酸ガス３５ａの体積膨張を効率的に行わせる。

炭酸ガスはパイプ３３を通って開弁された供給口１３、１０７、１１７より密室内に高圧状態３５ａで供給され、常圧状態で排出・回収される。炭酸ガス３５につき、高圧状態の炭酸ガスを「３５ａ」で表わし、常圧状態のものを「３５ｂ」で表わす。なお、総称するときは「炭酸ガス３５」という。

次に本願発明に用いられる炭酸ガスエンジン１について説明する。図３は炭酸ガスエン
ジン１をロータリ型炭酸ガスエンジンとする場合である。炭酸ガスエンジン１はアルミニウム合金製の密閉された円筒からなるハウジング１０１と、該ハウジング１０１の内室１０３に回転可能に設けられるアルミニウム合金製のロータ１１５とからなる。上記ハウジング１０１は密閉に形成された円筒が横設され、内部に断面円形に形成される内室１０３を有する。上記ハウジング１０１の上部周壁に上記内室１０３に通ずる供給口１１７を設け、対向する側の周壁に排出口１１９を開口する。排出口１１９の設置位置は高圧の炭酸ガス３５ａが常圧の炭酸ガス３５ｂとなる圧力の均衡点の直前とする。本実施例の場合、該排出口１１９は上記供給口１１７を通る直径線ｆよりやや２次作動室１２２側に位置するように設ける。図示例では直径線ｆに対し角度αが約１５°程度としてある。上記排出口１１９は上記供給口１１７より大に形成される。

上記ロータ１１５は図４に示すような略楕円形状の板体からなり、上記ハウジング１０１の内室１０３の中央部に回転可能に設けられる。上記ハウジング１０１及び上記ロータ１１５はロータ軸１１６に複数個位相をずらせて通常２個固設されている。上記ロータ１１５の輪郭には、図４に示すように、圧力保持のための圧力シール１１５ａを設ける。該圧力シール１１５ａはオイルシールも兼ねる。上記ハウジング１０１の上部周壁には供給口１１７を被覆するバルブ室１２４を設け、該バルブ室１２４に上下動自在の供給弁１２５を設ける。該供給弁１２５の弁軸１２７には上記バルブ室１２４を閉塞する方向に付勢されるスプリング１２９を巻着する。１３１は上記ロータ１１５に連動するカムであり、該カム１３１により上記供給弁１２５を開閉する。１３０はスプリングカバーである。

上記内室１０３には高圧状態の炭酸ガス３５ａが供給され、該炭酸ガス３５ａが大気圧になるときの体積膨張による力により上記ロータ１１５がロータ軸１１６を中心にして矢示する一方向に回転する。上記内室１０３は上記ロータ１１５の回転に伴ない、１次作動室１２１、２次作動室１２２に区画・形成される。上記各作動室１２１、１２２は上記ロータ１１５の作動面ａ，ｂとの関係で、吸入膨張行程、膨張排出行程又は大気圧保持行程のいずれかを担う。

吸入膨張行程は炭酸ガス３５ａが１次作動室１２１内に供給され、上記ロータ１１５のいずれかの作動面ａ又はｂを押圧する行程で、このとき供給口１１７は「開」、排出口１１９は「閉」となっている（図３（Ａ））。膨張排出行程はロータ１１５の回転に与り大気圧状態となった炭酸ガス３５ｂが排出口１１９より外部に排出される行程で、このとき供給口１１７は「閉」、排出口１１９は「開」となっている（図３（Ｂ））。大気圧保持行程は、供給口１１７が「閉」、排出口１１９が「開」であり、内室１０３内が作動室１２１、１２２ともに大気圧となった炭酸ガス３５ｂを大気圧状態に保持する行程であり、これによりロータ１１５の回転に円滑性を付与する（図３（Ｃ））。

ハウジング１０１は、図３のように、アルミニウム合金製のハウジングカバー１３９にて一体に被覆され、シリンダ本体の側壁の外側に中空体からなる加熱部１３７を設けることとしてもよい。上記ハウジングカバー１３９の側壁には熱風供給口１４１及び熱風排出口１４３が開口され、夫々、加熱部１３７を加熱するための熱風４０ａを供給する熱風供給パイプ４５、加熱部１３７の加熱を終了した熱風４０ｂを排出するための熱風排出パイプ４７が連結される。上記熱風供給パイプ４５、上記熱風排出パイプ４７は別に設ける圧縮機４９に循環可能に連結される。

図５及び図６のロータリ型炭酸ガスエンジンはロータが図７で示すような三面ロータの場合である。図５はハウジングが正円形の場合、図６は楕円形の場合である。図５において、炭酸ガスエンジン１はアルミニウム合金製の密閉された円筒からなるハウジング１０１と、該ハウジング１０１の内室１０３に回転可能に設けられるアルミニウム合金製のロータ１０５とからなる。上記ハウジング１０１は密閉に形成された円筒が横設され、内部に断面円形に形成される内室１０３を有する。また上記ハウジング１０１は周壁に供給口１０７を設け、対向する側の周壁に排出口１０９を開口する。該排出口１０９は上記供給口１０７より下方に位置するように設けるのが望ましい。なお、ここで「対向」とは供給口１０７と排出口１０９のこのような位置関係のある設置も含むものとする。上記排出口１０９は上記供給口１０７より大に形成される。

上記ロータ１０５は丸みを帯びた正三角形状の板体からなり、上記ハウジング１０１の内室１０３の中央部に回転可能に設けられる。上記ハウジング１０１及び上記ロータ１０５はロータ軸１０６に複数個位相をずらせて通常２個固設されている。上記ロータ１０５の輪郭には、図７に示すように、圧力保持のための圧力シール１０５ａを設ける。該圧力シール１０５ａはオイルシールも兼ねる。

上記内室１０３には高圧状態の炭酸ガス３５ａが供給され、該炭酸ガス３５ａが大気圧になるときの体積膨張による力により上記ロータ１０５がロータ軸１０６を中心にして時計回り方向に回転する。上記内室１０３は上記ロータ１０５の回転に伴ない、１次作動室１１１、２次作動室１１２及び３次作動室１１３に区画・形成される。上記各作動室１１１、１１２、１１３は上記ロータ１０５の作動面ａ，ｂ，ｃとの関係で、吸入膨張行程、膨張排出行程又は大気圧保持行程のいずれかを担う。

吸入膨張行程は炭酸ガス３５ａが１次作動室１１１内に供給され、このときの炭酸ガス３５ａは「亜膨張」の状態となり、上記ロータ１０５のいずれかの作動面（図５（Ａ）では「ａ面」）を押圧する。膨張排出行程はロータ１０５の回転に与り大気圧状態となった炭酸ガス３５ｂが排出口１０９より外部に排出される。このときの炭酸ガス３５ａは「連鎖膨張」の状態となる（図５（Ｂ））。大気圧保持行程は、供給口１０７及び排出口１０９が上記ロータ１０５の他の作動面によりブロックされるため、大気圧となった炭酸ガス３５ｂを保持する行程であり、これによりロータ１０５の回転に円滑性を付与する。このときの内室１０３（図５（Ｃ）では３次作動室１１３）は大気圧（１気圧）となる（図５（Ｃ））。

ロータリ型炭酸ガスエンジンの場合、ハウジングの形状は必ずしも断面正円形にする必要がなく、楕円形であってもよい。後者の場合例えば図６に示すように構成することができる。この場合、ハウジング１０２の内室１２３が同一径の２個の円が対称に交差して描かれる軌跡に沿って形成されている。ロータ１２６は丸みを帯びた正三角形状の板体からなり、上記内室１２３内を中心を移動させながら回転する。上記ロータ１２６の中央部には、円形のロータ孔１２６ａが設けられ、ここにロータ軸１２６ｂが挿通される。該ロータ軸１２６ｂは外周にギヤ（図示省略）を設け、ロータ孔１２６ａの内周に設けるギヤ（図示省略）と噛合する。１２３ａは１次作動室、１２３ｂは２次作動室、１２３ｃは３次作動室である。エネルギは上記ロータ軸１２６ｂより適宜手段を介して取り出す。なお、上記ロータ１２６の輪郭にも、図７と同様、オイルシール兼用の圧力シール（図示省略）を設けてある。

図８は炭酸ガスエンジン１たるレシプロ型炭酸ガスエンジンを示す。炭酸ガスエンジン１を構成するシリンダ２はアルミニウム合金製のシリンダヘッド３とアルミニウム合金製のシリンダ本体５とからなり、シリンダヘッド３がシリンダ本体５に分解可能に固着される。該シリンダ本体５内にはアルミニウム合金製ピストン７が往復動可能に摺接される。上記シリンダ本体５の上部には上記シリンダヘッド３と上記ピストン７とによって密閉構造とされる内室９が形成される。上記シリンダ本体５の側壁にはピストン７の下死点Ｄ時に開口する排出口１１が設けられる。上記シリンダヘッド３には供給口１３が開口され、該供給口１３に上下動自在の供給弁１５を設ける。該供給弁１５の弁軸１７には上記供給口１３を閉塞する方向に付勢されるスプリング１９を巻着する。２１は上記ピストン７に連動するカムであり、該カム２１により上記供給弁１５の開閉をする。２３はコネクティングロッドであり、上記ピストン７とクランクシャフト２５とを連結する。該クランクシャフト２５の一端にはフライホイール２７が取り付けられている。２６は該クランクシャフト２５のバランスウェイトを示す。２０はスプリングカバーである。２９ａは圧力リングであり、上記内室９を密閉するため上記ピストン７の上部に取り付けられる。２９ｂはオイルリングである。

上記シリンダ２は、図３で述べた実施例と同様に、アルミニウム合金製のシリンダカバーにて一体に被覆され、シリンダ本体５の側壁の外側に中空体からなる加熱部を設けることにしてもよい。

次に図９に基づき本願発明の作動原理を説明する。図９はロータ１１５が内室１０３内で回転するときの位置と炭酸ガスの膨張の様子を模式化した図である。図９（Ａ１）（図３（Ａ））及び図９（Ａ２）は吸入膨張行程を示し、このときの炭酸ガスは「亜膨張」の状態となる。図９（Ｂ１）及び図９（Ｂ２）（図３（Ｂ））は膨張排出行程を示し、このときの炭酸ガスは「連鎖膨張」の状態となる。図９（Ｃ）は大気圧保持行程を示し、図３（Ｃ）の直前の状態であり、このときの内室１０３は大気圧（１気圧）となる。図９（Ｄ）はロータ１１５が１回転し他の面（ｂ面）が作動面となった状態を示す。

炭酸ガス３５ａは初期タンク３１又は循環タンク７３よりパイプ３３ａ〜３３ｅを経、高圧状態のまま炭酸ガスエンジン１に供給されるのであるが、この炭酸ガス３５ａが炭酸ガスエンジン１の内室１０３に流入されるときの様子を図９に基づいて説明してみる。

まず始動を図示しないセルスターターにより行ない、ロータ１１５を強制回転させる。ロータ１１５が図９（Ａ１）の位置即ち供給口１１７の直前の位置にくると供給弁１２５が「開」となり、高圧状態の炭酸ガス３５ａが１次作動室１２１に流入してくる。この炭酸ガス３５ａは１次作動室１２１に流入するとすぐに膨張を開始するが、ロータ１１５が図９（Ａ２）に示すように供給口１１７を通過する位置にくると供給弁１２５が「閉」となるため膨張が一旦終了する。これは炭酸ガス３５ａの膨張が１次作動室１２１の容積の限度内で行われるためである。これを仮りに「亜膨張」と呼ぶ。亜膨張時にロータ１１５が受ける圧力エネルギーは、ガソリンエンジンにおける場合と同様、ａ面全体で圧力を受けることになる。つまり図９（Ａ１）及び図９（Ａ２）の吸入膨張行程において、炭酸ガス３５ａは亜膨張エネルギーのストレスを溜め保持した状態で次の膨張排出行程に移行することになる。なお、この吸入膨張行程における他面（ｂ面）側の圧力は大気圧である。

図９（Ｂ１）及び図９（Ｂ２）の膨張排出行程において、ロータ１１５の回転により排出口１１９が「開」となった瞬間、即ち排出口１１９がピンホール状態となると炭酸ガス３５ａは大気圧になるため爆発的に膨張する。このとき炭酸ガス３５ａの動きを中心にみると、膨張した炭酸ガス３５ａはロータ１１５の表面に沿って動き「開」となった排出口１１９に向かって急激に移動する。このときの炭酸ガス３５ａの膨張圧力は吸入膨張行程における場合とは異なり、ロータ１１５のａ面全体に均等にかかるのではなく、ロータ１１５の排出口１１９側の半面にだけ集中してかかる。よって排出口１１９は益々大きく開口し、これにより炭酸ガス３５ａが益々排出口１１９に向かって急激に移動するため、炭酸ガス３５ａの膨張による力（これを「膨張力」と呼ぶ）は一層ロータ１１５の排出口１１９側の半面にだけ集中する。この状態は「連鎖膨張」の状態と呼ぶことができ、こうなると炭酸ガス３５ａは十分に膨張しきり、このためロータ１１５の排出口１１９側の半面には十分な回転モーメントを得ることができ、これによりロータ１１５は回転する。この膨張排出行程における各面の圧力は、図９（Ｂ１）では他面（ｂ面）側の圧力が大気圧であり、図９（Ｂ２）（図３（Ｂ））ではａ、ｂ両面側とも大気圧である。

この点を図１０（Ａ）乃至図１０（Ｄ）に基づきもう少し詳しく説明する。図１０（Ａ）に示すように膨張排出行程の直前の状態では炭酸ガス３５ａの膨張（亜膨張）の力は１次作動室１２１及びロータ１１５のすべての面にかかっている。しかし、排出口１１９が「開」となった瞬間、炭酸ガス３５ａは高圧の１次作動室１２１から低圧（大気圧）の開口部分１１９に向けて急激に流れ噴出する（図１０（Ｂ））。このとき１次作動室１２１内をみると、排出口１１９付近は大気圧に曝されるので圧力が不均衡となる圧力不均衡部Ｐ₀が形成され、この圧力不均衡部Ｐ₀は、炭酸ガス３５ａが噴出すると低圧となるので、隣接する層Ｐ₁の炭酸ガス３５ａが移動してくる。これにより、１次作動室１２１内の上部Ｌには比較的に低圧の部分が形成される（図１０（Ｂ））。このような炭酸ガス３５ａの移動は図１０（Ｃ）及び図１０（Ｄ）に示すように次々に連鎖的になされる。よって１次作動室１２１の上部には炭酸ガス３５ａが抜けた低圧空間Ｌが形成されこの低圧空間Ｌは徐々に大となり、他方、排出口１１９付近の圧力不均衡部Ｐ₀には次々に新たな炭酸ガス３５ａが爆発的に移動してくるので、圧力不均衡部Ｐ₀は大気圧より常に高圧となっている。そして圧力不均衡部Ｐ₀から次々に排出される炭酸ガス３５ａは排出口１１９より排出されるとき、即ちロータ１１５が「１」の位置から「ｎ」の位置に至るまで爆発的に膨張するから、排出される炭酸ガス３５ａはロータ１１５の排出口１１９側の半面を押圧し、ロータ１１５はハウジング１０１に枢着されているため、上記した炭酸ガス３５ａの膨張力により回転するのである。つまり、排出される炭酸ガス３５ａは圧力不均衡部Ｐ₀での爆発的膨張と該圧力不均衡部Ｐ₀への補給が連続的になされるため爆発的な膨張が持続的になされ、これによりロータ１０５が回転する。
なお、この膨張排出行程において炭酸ガス３５ｂは排出口１１９より噴出状態で排出されるので、この排出時の噴出力によりパイプ内を圧送される。

次いで図９（Ｂ２）に示す膨張排出行程の終了時から図９（Ｃ）及び図３（Ｃ）に示す大気圧保持行程において、ロータ１１５のａ、ｂ両面とも大気圧となるため、ロータ１１５は慣性力により回転し図９（Ｄ）（図３（Ｄ））に示す位置となる。これにより、他面（ｂ面）が作動面となり、今度はロータ１１５のｂ面において上記した一連の行程が繰り返されることになる。

かくして始動が終了すると、その後は上記した一連の行程が連続的に繰り返されることにより炭酸ガスエンジンが本格作動することになるのである。

図５及び図６に示す三面ロータの場合の作動原理も上記と同様であり、炭酸ガス３５ａの膨張は吸入膨張行程、膨張排出行程及び大気圧保持行程をとり、各行程において上記と同様に作用する。図３に示す二面ロータの場合と異なるのは供給弁１２５がないことであるが、この供給弁１２５の機能即ち供給口１１７の開閉はロータ１０５、１２６の回転位置によって行なうのである。

図５に基づき炭酸ガスエンジン１の動きを詳しくみてみる。
図５（Ａ）に示すように、ロータ１０５の作動面ａが吸入膨張行程をする位置にあるとき、高圧状態（例えば６０気圧）の炭酸ガス３５ａ（気体）が供給口１０７より１次作動室１１１内に供給される。上記炭酸ガス３５ａは１次作動室１１１内に供給されると、１気圧の大気圧下に曝されるから、一気にその体積を膨張させる。この膨張は「亜膨張」である。

吸入膨張行程では慣性力によりロータ１０５が押圧されて図５（Ｂ）に示す位置に回転する。これにより作動面ａは２次作動室１１２に位置し、排出口１０９が「開」となるため膨張排出行程となる。ロータ１０５の回転により排出口１０９が「開」となった瞬間、即ち排出口１０９がピンホール状態となると炭酸ガス３５ａは大気圧になるため爆発的に膨張する。このとき炭酸ガス３５ａの動きを中心にみると、膨張した炭酸ガス３５ａはロータ１１５の表面に沿って動き「開」となった排出口１０９に向かって急激に移動する。よって二面ロータの場合で述べたように、炭酸ガス３５ａは２次作動室１１２が大気圧となるので爆発的に膨張する「連鎖膨張」となり、この排出口１０９より噴出する。

さらにロータ１０５が図５（Ｃ）に示す位置に回転すると、供給口１０７と排出口１０９とがともに「閉」となるので大気圧保持行程となり、炭酸ガス３５ｂを大気圧状態で保持する。

ロータ１０５はさらに回転し図５（Ａ）に示す位置となる。かくして炭酸ガス３５ａの体積膨張力と慣性力によりハウジング内をロータが連続的に回転するから、これによるエネルギを適宜手段により取り出す。

図８に示すレシプロ型炭酸ガスエンジンの場合の作動原理も上記と同様であり、炭酸ガス３５ａの膨張は吸入膨張行程、膨張排出行程及び大気圧保持行程をとり、各行程において上記と同様に作用する。ピストン７の下降により吸入膨張行程となり、内室９内は「亜膨張」となる。続いて排出口１１の「開」の開始から図８（Ｃ）に示す「全開」を経て排出口１１の「開」の終了まで膨張排出行程が続き、高圧状態の炭酸ガス３５ａが大気圧に曝され爆発的に膨張する「連鎖膨張」となる。続いてピストンの上昇による排出口１１の「閉」となるまで大気圧保持行程となる。この連鎖膨張の膨張力によりピストン７が作動する。

図８に基づき炭酸ガスエンジン１の動きを詳しくみてみる。まず、図示しないスタータモータにより、カム２１を回転させる。するとカム２１に連動してピストン７が図８（Ａ）に示すように下降するとともに、カム２１により供給弁１５が押圧される。すると図８（Ｂ）に示すように、スプリング１９の付勢力に抗して供給弁１５が「開」となる。このときピストン７は上死点Ｕに位置している。次いでカム２１がさらに回転すると、回転後すぐに供給弁１５の押圧が解除されるから、供給弁１５はスプリング１９の付勢力により「閉」となる。図８（Ｃ）はピストン７が下死点Ｄまで下降した状態を示す。

この上死点Ｕから下死点Ｄに移行する過程を詳しくみる。供給弁１５が「閉」となると、密室内では高圧状態（例えば６０気圧）で供給された炭酸ガス３５ａ（気体）は、内室９という限られた空間内において１気圧の大気圧下に曝されるからその体積を膨張させる。この膨張は「亜膨張」である。この体積膨張による力はピストン７に伝動され、ピストン７を下降させるとともに、この力はクランクシャフト２５の一端に固着されているフライホイール２７にも伝動する。ピストン７が下死点Ｄに達すると、フライホイール２７に伝動している上記力に起因する慣性力によりピストン７は上昇過程に移行する。

図８（Ｃ）に示すように下死点Ｄ時において内室９の排出口１１は「開」となるので、ピストン７の押下げに与った炭酸ガス３５ａは、大気圧となるとき爆発的に膨張する「連鎖膨張」となり、排出口１１より噴出する。この連鎖膨張の膨張力によりピストン７が作動する。次いで上昇過程に移行したピストン７の上死点Ｕ時においては大気圧となったすべての炭酸ガス３５ｂが排気される。

かくして、炭酸ガス３５ａの体積膨張力と上記慣性力とにより、ピストン７は上記した下降過程及び上昇過程を連続的に繰り返す。よって、炭酸ガスエンジンのピストン７は連続的に往復動するから、これによるエネルギを適宜手段により取り出す。

ここで従来のガソリンエンジンと原理の対比をしてみる。
従来のガソリンエンジンは〈１〉吸入行程、〈２〉圧縮行程、〈３〉燃焼行程及び排気行程の４行程が必要であるが、本願発明による炭酸ガスエンジンは上記〈３〉燃焼行程が不要であり、〈２〉圧縮行程についてはあってもなくてもよいのである。本願発明による炭酸ガスエンジンの行程は、〈ａ〉吸入膨張行程、〈ｂ〉膨張排出行程及び〈ｃ〉大気圧保持行程である。またエンジン特性についてみれば、従来のガソリンエンジン（内燃機関）の燃焼膨張は一過性エネルギーであるのに対し、本願発明による炭酸ガスエンジン（内圧機関）は連続膨張エネルギーである。このようなエネルギー特性の違いにより、従来のガソリンエンジンでは各行程が明瞭に区別できるのであるが、本願発明による炭酸ガスエンジンの各行程は連続している。
よって従来のガソリンエンジンと本願発明による炭酸ガスエンジンとは原理が全然異なり、ガソリンエンジンに適用される理論をそのまま本願発明による炭酸ガスエンジンに適用することはできないのである。

上記の点をもう少し具体的に見てみる。ガソリンエンジンは爆発燃焼時の瞬間エネルギを利用するため、ロータ面にかかる均等圧力をロータの結合部分を中心軸より偏心させて楕円に回転方向性を与えている。空気と燃料の圧縮行程は必ず必要であり、ロータを偏心させ内室の容積変化を起こさせるためにシリンダを楕円構成とするのである。
これに対し、本願発明による炭酸ガスエンジンにおいては圧縮行程は必ずしも必要でなく、図示実施態様に示すようになくてもよいのである。これは、本願発明においてはガソリンエンジンのように燃焼のための空気と燃料との圧縮行程が不要であるので、大気圧保持行程より吸入膨張行程に移行するとすぐに「亜膨張」となり、ロータの先端が排出口を切った瞬間高圧状態の炭酸ガスが爆発的に膨張する「連鎖膨張」を起こすからである。この結果、排出口１１９側のロータの半面に膨張圧力が集中し、これによりロータが回転するのである。このように、従来のガソリンエンジンと本願発明による炭酸ガスエンジンとは原理が全然相違するのである。

このように原理が相違する結果、炭酸ガスエンジンの態様も次のように相違することになる。まず、三面ロータについては、従来のガソリンエンジンはシリンダが楕円構成でなければならず、正円構成のシリンダとすることができない。また二面ロータについても、従来のガソリンエンジンはシリンダが楕円構成でなければならず、正円構成のシリンダとすることができない。その理由は前述したように、ガソリンエンジンは爆発燃焼時の瞬間エネルギを利用するため、ロータ面にかかる均等圧力を偏心させて回転方向性を与える必要があるからであり、また吸入、圧縮時の作動室の容積変化が必要だからである。
これに対し、本願発明においては、圧縮行程が不要であるから、三面ロータ、二面ロータともにシリンダは楕円構成であっても正円構成であってもよく、いずれでもロータは回転するのである。

本願発明による発電システムは上記した循環式内圧機関により発電機を駆動し発電するシステムである。この場合、炭酸ガスエンジン１は出力の大なる大規模のものが用いられる。この場合は炭酸ガス圧縮機も大量の炭酸ガスを容易迅速に処理できるよう３段以上の多段にするのが望ましい。

ここで炭酸ガス３５について詳しく説明する。炭酸ガス（二酸化炭素 ＣＯ₂）は次のような物理的性状を有する。
空気との比重 １．５２９
毒性 無
臭 無臭
性状 不燃性
分子量 ４４．０１
三重点（０．５３ＭＰａ） −５６．６℃
沸点（昇華） −７８．５℃
臨界温度 ３１．１℃
臨界圧 ７．３８ＭＰａ
熱力学的性質 図１１の通り

また炭酸ガスは物の燃焼や動物の呼吸、有機物の腐敗、発酵等に伴って発生し、空気中に普通に存在する。一方で植物は炭酸ガスを吸収し炭素同化作用を営む。

本願発明はこのような物理的性状を有する炭酸ガスの不活性、常温液化性及び高度の体積膨張性に着目し、これを最大限に活用する。

ここで炭酸ガス３５ａの膨張率、即ち炭酸ガス３５ａにより取り出されるエネルギの大きさについてみる。密室たる内室９、１次作動室１１１、１２１内に供給される炭酸ガス３５ａが常温（２５℃）の場合、該炭酸ガス３５ａの圧力は図１１より６．４３２MPa（６４．３２気圧）であるから、常圧（１気圧）の内室９、１次作動室１１１、１２１内にあるピストン７、ロータ１０５、１１５には６４．３２倍の圧力がかかる。よって理論上約６４倍の運動エネルギを取り出すことが可能となる。

このエネルギと従来の内燃機関の代表としてガソリンエンジンから取り出されるエネルギとを比較する。

（オープン条件化でのガソリン燃焼）
ガソリンの分子表記は難しいため、ガソリンの平均分子量に比較的近い炭化水素であるオクタン（Ｃ₈Ｈ₁₈）をガソリンの組成と見なして計算する。オクタンの物理的性状は次の通りである。
化学式 Ｃ₈Ｈ₁₈
比重 ｄ＝0.7
分子量 Ｍ＝114.0
燃焼熱 10200kcal/kg＝10200×114/1000×4.186≒4868kJ/mol

オクタンの燃焼反応式は（１）式の通りである。

（１）式よりオクタン１molが燃焼すると空気中の酸素を取り込みながら１７molのガスが発生する。

（ガス比容Ｖ₀の計算）
生成ガスを理想気体として仮定しているので、標準状態で１molの占める容積は２２．４lとなる。従って、ガス比容Ｖ₀は（１）式から

となる。

（燃焼温度Ｔ₁の計算）
爆発温度Ｔ₁を求めるには、生成ガスのモル数、発熱量、生成ガスの定容比熱が必要となる。ここでは、定容比熱のみ不明であるが、ＴＮＴのような火薬類と同じとしてみる。

爆発温度Ｔ₁は（２）式によって求めることができる。

なお、生成ガスの平均定容比熱が約４０J/℃として知られていることについては、日本火薬工業会、「一般火薬学新改訂第２版」、Ｐ１８（２００５）参照。

（２）式より爆発温度Ｔ₁は

従って

つまり、１kgのオクタンは、爆発すると７４３０(K)（約７１００℃）で、９０９００(l)を占める。反応前の容積は１０００／０．７＝１４３０(ml)であるから、反応前の温度を０℃とした場合の膨張率は

となる。

しかしながら上記値は、火薬と同じ爆発状態を想定しているため現実以上に爆発温度が高くなっている。現実的には、爆発温度が１５００K程度であり、また燃焼に空気が十分ないと反応が進まない。よって、現実には酸素が不足するためＴＮＴ火薬のようには反応が起きないのである。

（空気を考慮したガス比容）
そこで空気を考慮したオクタンの燃焼反応式を考える。（１）式で必要な酸素は１２．５molであり、空気の組成を酸素２１％、窒素７９％とすると、それに伴う窒素は
１２．５mol×（７９／２１）＝４７．０mol
となる。したがって、燃焼反応式は

となる。

オクタン１molが燃焼すると空気中の酸素を取り込みながら合計１７molのガスが発生し、燃焼に与らない窒素４７．０molが存在する。

生成ガスを理想気体と仮定しているので、標準状態で１molの占める容積は２２．４lとなる。したがって、ガス比容Ｖ₀は（３）式から、

となる。

（空気を考慮した燃焼温度Ｔ₁の計算）
燃焼温度Ｔ₁を求めるには、生成ガスのモル数、発熱量、生成ガスの定容比熱が必要となる。ここでは、定容比熱のみ不明であるが、ＴＮＴのような火薬類と同じとしてみる。燃焼温度Ｔ₁は次式によって求めることができる。

（４）式より爆発温度Ｔ₁は

従って、

つまり１kgのオクタンは空気の初期体積を考慮すると、瞬間的に燃焼したとして、２１７５（K）（約１９００℃）で１００１８５(l)を占める。反応前の容積は
（１２．５＋４７）×２２．４＋１／０．７＝１３３４(l)であるから、反応前の温度を０℃とした場合の膨張率は１００１８５／１３３４≒７５倍となる。ただし上記値は実際上は燃焼中に熱が周囲に逸散するので、燃焼温度はさらに低くなる筈である。

（ガソリンエンジン内の燃焼）
燃費１０km/l、排気量２０００cc、平均速度４０km/h、平均回転数２０００rpm/minの自動車のガソリンエンジンを考える。上記ガソリンエンジンは１時間あたりでは４(l)のガソリンを消費する。また、上記ガソリンエンジンは２０００rpm/minであるので、２０００×２×６０（ストローク／h）となる。また、上記エンジンのボアストロークが直径８６mm、ストローク８６mmよりシリンダ室内の容積は
Ｓ＝（８．６）×（４．３）²×π＝５００（cm³）
となる。

これは１ストロークあたりでは
４０００(ml)／（２０００×２×６０）＝１／６０(ml)
のガソリンを消費し、そのときの燃焼ガスは５００（cm³）になる。

次に、圧縮比からこのエンジンの行程を解析してみる。
圧縮比は一般的な乗用車エンジンでは「９」前後である。燃焼室容積をＶｂ(ml)とすると、圧縮比＝（Ｖｂ＋５００）／Ｖｂであるので、９Ｖｂ＝Ｖｂ＋５００となり、これを解くと
Ｖｂ＝６２．５(ml)となる。

以上を詳細を省いて簡単にまとめると、
６２．５(ml)の燃焼室と５００(ml)のシリンダ室に１／６０(ml)（＝１６．７×１０^-3(ml)＝１．０２５×１０^-4(mol)のガソリンが空気約５６０(ml)（酸素５．２５×１０^-3(mol)と窒素１９．７５×１０^-3(mol)）と一緒に吸い込まれ（１気圧）、９倍に圧縮されたガソリンと空気（９気圧）に点火される。（３）式から消費される酸素は
1.025×10^-4×12.5＝1.281×10^-3
である。したがって、残りの酸素と窒素は、それぞれ
（５．２５−１．２８）×１０^-3＝１．９７×１０^-3(mol)、１９．７５×１０^-3(mol)
となる。

また、発生するガスと熱量は、
Ｈ₂Ｏ：1.025×10^-4×9＝9.225×10^-4(mol)
ＣＯ₂：1.025×10^-4×8＝8.200×10^-4(mol)
Ｑ＝1.025×10^-4×4868＝0.499kJ
である。

燃焼温度Ｔ₁を求めるには、前記のように生成ガスのモル数、発熱量、生成ガスの定容比熱が必要となる。ここでは、定容比熱のみ不明であるが、ＴＮＴのような火薬類と同じとしてみる。燃焼温度Ｔ₁は前記のように次式によって求めることができる。

（４’）より燃焼温度Ｔ₁は

つまり、２０００ccのエンジンでは瞬間的に燃焼したとして、８０５(K)（約５３２℃）で２３．５×１０^-3(mol)（＝９．２２５×１０^-4＋８．２００×１０^-4＋１９．７×１０^-4＋１９７．５×１０^-4）のガスが、６２．５(ml)を占める。

このときの、圧力Ｐ₁を計算してみると、理想気体として状態方程式から

である。

最後に、この高温高圧のガスがシリンダを押し下げる膨張行程で９倍に膨張すると、
Ｐ₁Ｖ₀＝一定であるから、９倍に膨張したときの圧力Ｐ₂は
Ｐ₂＝Ｐ₁/9＝24.8/9＝2.7(atm)
となる。

このように従来のガソリンエンジンより取り出すエネルギの大きさは、この場合約２５倍程度である。

よって本願発明による炭酸ガスエンジンから取り出されるエネルギは従来の内燃機関から取り出されるエネルギと比較し、同程度以上である。とくに、上記実施例（２５℃のとき６４倍の例）及び上記比較例（２５倍の例）に限って言えば、従来に比し２．５倍のエネルギを得ることができる。

このように本願発明によるエネルギの発生は燃料の燃焼を伴わないから、燃料資源に起因する資源の枯渇や排気ガスによる公害問題を惹起することがなく安全であり、完全なクリーンエネルギを得ることができる。また、炭酸ガスを生じることがないので、炭酸ガスの増加を防止することができ、温暖化現象の防止に寄与することができる。しかも取り出されるエネルギは上記のようにガソリンエンジンと同等程度以上であるから、エネルギの実行性も担保される。

本願発明による循環式内圧機関によれば、密室（内室９、内室１０３）の圧縮比に影響されず、供給される炭酸ガス３５ａの圧力は一定（例えば常温（２５℃）の場合約６４倍）である。またタンク乃至ボンベに収納される炭酸ガス３５ａは最後の１molまで有効に使用可能である。よって、エネルギの取出効率が大変よい。

上記エネルギの取出しにおいて、循環回路を構成することにより排出された炭酸ガスを回収して再利用するから、エネルギ効率を非常に増大することができる。

また、炭酸ガス３５ａの常温液化性及び高度の体積膨張性により、密室（内室９、１０３、１２３）の設計が容易となる。さらに炭酸ガス３５ａの不活性により、例えば水素ガスや酸素ガスより遙かに扱い易く、制御性が大である。よって高度の実用性を有する。

炭酸ガス３５の体積膨張率と温度とは相関関係にあり、内室９、１０３、１２３、１次作動室１１１、１２１内に供給されている高圧状態の炭酸ガス３５ａは上記加熱部３７、１３７による加熱により一層体積が膨張するから、炭酸ガスエンジンの仕事率は一層向上する。

この点につき、図１１及びボイル・シャルルの法則により内室９、１０３、１２３、１次作動室１１１、１２１内に供給される炭酸ガス３５ａの圧力を具体的に算出してみる。

ボイル・シャルルの法則は一定量の気体ではＰＶ／Tは常に一定の値となるという法則で、

の式により表わす。炭酸ガス３５ａは初期タンク３１からパイプ３３を経由して常圧（２５℃）・気体状態にて上記内室９、１０３、１２３に供給されるから、内室９、１０３、１２３の内圧は内室９、１０３、１２３が５０℃に加熱される場合次の如く算出される。ただし、内室９、１０３、１２３の容量を２０ccとする。

また内室９、１０３、１２３、１次作動室１１１、１２１が１００℃に加熱される場合、内室９、１０３、１２３、１次作動室１１１、１２１の内圧は次の算出値となる。

よって内室９、１０３、１２３、１次作動室１１１、１２１が加熱部３７、１３７により加熱されると炭酸ガスエンジン１の仕事率は一層向上する。

本願発明は上記した実施の形態に限定されない。例えば、「膨張力」を得るために炭酸ガスを常圧化する手段としては圧力調整弁により圧力の調整をされた炭酸ガスを炭酸ガスエンジン１に供給してもよく、かかる場合も本文中で述べたような炭酸ガスの膨張による「亜膨張」、「連鎖膨張」を惹起せしめ「膨張力」を得ることができる。なお、この場合は、冷却装置５７に大気乾燥部６５及び逆止弁６３を接続しないでよい。

また炭酸ガス圧縮機５９と循環タンク７３の間に他の循環タンク（図示省略）を設け、循環タンクを１次と２次に分けると、炭酸ガスエンジン１制御のための炭酸ガス３５ａの流量調整が円滑になることが期待され望ましい。

炭酸ガス圧縮機５９は複数とすることができる。これにより、前機による吸引と後機による圧送とのセットとし、両者の相乗作用により炭酸ガスの圧縮処理能力を炭酸ガスの量に応じて容易に増大させることができる。よって、所望の出力に応じて、例えば図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように炭酸ガス圧縮機５９ａ、５９ｂ、５９ｃを３個以上の多段にすることができる。もちろん所望の大出力を得られるのであれば、単一機であることを妨げない。

また複数個の炭酸ガス圧縮機の相互の接続は、例えば図１２（Ａ）に示すように直列接続はもとより、例えば図１２（Ｂ）に示すように並列接続にすることもできる。

冷却装置５７は、図１２（Ａ）に示すように、ケーシング５７ａと該ケーシング５７ａ内に幾重にも重なるように内蔵される復路のパイプ３３ｋとから構成し、往路のパイプ３３ｄを省略することとしてもよい。この場合排出炭酸ガス３５ｂは大気圧下に曝されると気化熱等により例えば−３０℃と低温になるため、ケーシング５７ａには−３０℃の排出炭酸ガス３５ｂが充満している。ここに炭酸ガス圧縮機５９ａ、５９ｂにてすべての量を圧縮処理しきれなかった炭酸ガス３５ａ’が復路のパイプ３３ｋ中に流れてくるので、炭酸ガス３５ａ’を上記−３０℃の排出炭酸ガスの気化熱等により再度冷却し、炭酸ガス圧縮機５９ｃにて圧縮するのである。図１２（Ｂ）に示す並列接続の場合は、ケーシング５７にて冷却された炭酸ガス３５ｂを炭酸ガス圧縮機５９ａ、５９ｂ、５９ｃにて炭酸ガス３５ａに同時に圧縮処理する。

また圧縮機４９及び炭酸ガス圧縮機５９の駆動力は、その１として、大気圧に曝され連鎖膨張し排出される炭酸ガスの噴出力及びベルト５８ａ、５８ｂにより伝動される炭酸ガスエンジン１からの駆動力、その２として前者（炭酸ガスの噴出力）のみの駆動力、その３として後者（ベルト５８ａ、５８ｂにより伝動される炭酸ガスエンジン１からの駆動力）のみの駆動力の３パターンがある。つまり、ベルト５８ａ、５８ｂにより伝動される炭酸ガスエンジン１からの駆動力は場合によりあってもなくてもよい。

初期始動を循環タンク７３の残溜分より取り出し、初期タンク３１を設けないこととしてもよい。

炭酸ガス圧縮機５９による加圧は、温度等の外部環境によって適宜に選択され、必ずしも常温で液化しない程度の圧力、例えば２０気圧位乃至４０気圧位でも可能である。ちなみに、例えば水素ガスの場合、常温液化性を有しないから、この程度の冷却では液化しない。

加熱部３７、１３７による加熱システムは任意であり、加熱しなくても本願発明の目的を達成することができる（図６参照）。

供給系のパイプの中を流れる炭酸ガスは、気体と粉体としてのドライアイスの混合又は液体の状態での送給もあり得る。どの相をとるかは現場の気圧、温度等の条件による。

ポンプ６１は圧送式のポンプでもよい。

タンク６９の設置は任意的である。

内室９、１０３、１２３に設ける供給弁１５は、図示例とは反対に、内室９、１０３、１２３を外側から供給弁１５の弁蓋により閉塞または開放するようにしてもよい。また供給弁１５の設置はシリンダ本体５の側壁であってもよい。

カム機構は他の公知のものも適用可能であり、例えばスプリングを要しないカム機構も考えられる。

また炭酸ガスエンジン１を構成する素材も鉄その他適宜に選択することができる。

取り出したエネルギの適用は任意であり、発電機の駆動乃至発電はもちろん、例えば自動車、電車、航空機、船舶等の駆動、モータの駆動等をすることができる。

本願発明において「高圧」とは、炭酸ガスエンジンを作動せしめるに十分な圧力の程度を指称し、常温で液化する７０気圧位はもちろん、それより低い例えば２０気圧程度乃至４０気圧程度とか６０気圧程度も含む。また「大気圧」と「常圧」とは同義で用いている。

本願発明は例えば発電、自動車、電車、航空機、船舶等の駆動、モータの駆動、発電機の駆動に活用することができる。

本願発明による循環式内圧機関の回路構成図を示す。 本願発明による循環式内圧機関の動作ステップを示すフローチャートである。 本願発明に使用する炭酸ガスエンジンの実施例を示す概略正面断面図で、（Ａ）は吸入膨張行程を、（Ｂ）は膨張排出行程を、（Ｃ）は大気圧保持行程を、（Ｄ）は次の吸入膨張行程を各示す。 ロータの実施例を示す概略斜視図である。 本願発明に使用する炭酸ガスエンジンの他の実施例を示す概略正面断面図で、（Ａ）は吸入膨張行程を、（Ｂ）は膨張排出行程を、（Ｃ）は大気圧保持行程を各示す。 本願発明に使用する炭酸ガスエンジンのさらに他の実施例を示す概略正面断面図で、（Ａ）は吸入膨張行程を、（Ｂ）は膨張排出行程を、（Ｃ）は大気圧保持行程を各示す。 ロータの他の実施例を示す概略斜視図である。 本願発明に使用する炭酸ガスエンジンのさらに他の実施例を示す概略正面断面図で、（Ａ）はピストンの始動状態を示す図、（Ｂ）は上死点Ｕにおける開弁状態を、（Ｃ）は下死点Ｄにおける閉弁状態を各示す。 本願発明による炭酸ガスエンジンの作動原理を示す説明図である。 本願発明による炭酸ガスエンジンの作動原理を示す説明図である。 炭酸ガスの熱力学的性質を示す表である。 （Ａ）は本願発明に使用する炭酸ガス圧縮機の接続例、（Ｂ）は他の接続例を示す。

符号の説明

１ 炭酸ガスエンジン
２ シリンダ
３ シリンダヘッド
５ シリンダ本体
７ ピストン
９ 内室
１１ 排出口
１３ 供給口
１５ 供給弁
１７ 弁軸
１９ スプリング
２０ スプリングカバー
２１ カム
２３ コネクティングロッド
２５ クランクシャフト
２６ バランスウェイト
２７ フライホイール
２９ａ 圧力リング
２９ｂ オイルリング
３１ 初期タンク
３３ パイプ
３４ 循環回路
３４Ａ 供給経路
３４Ｂ 回収経路
３５ 炭酸ガス
３５ａ 炭酸ガス
３５ｂ 炭酸ガス
３７ 加熱部
３９ シリンダカバー
４０ 熱風
４１ 熱風供給口
４３ 熱風排出口
４５ 熱風供給パイプ
４７ 熱風排出パイプ
４９ 圧縮機
５１ 切替弁
５３ センサ
５４ 三方切替弁
５５ 流量制御弁
５７ 冷却装置
５８ａ ベルト
５８ｂ ベルト
５８ｃ ベルト
５９ 炭酸ガス圧縮機
６１ ポンプ
６３ 逆止弁
６５ 大気乾燥装置
６７ 回収タンク
６８ 分離装置
６９ 混合タンク
７３ 循環タンク
７５ 逆止弁
１０１ ハウジング
１０３ 内室
１０５ ロータ
１０５ａ オイルシール兼用圧力シール
１０６ ロータ軸
１０７ 供給口
１０９ 排出口
１１１ １次作動室
１１２ ２次作動室
１１３ ３次作動室
１１５ ロータ
１１５ａ オイルシール兼用圧力シール
１１６ ロータ軸
１１７ 供給口
１１９ 排出口
１２１ １次作動室
１２２ ２次作動室
１２３ 内室
１２３ａ １次作動室
１２３ｂ ２次作動室
１２３ｃ ３次作動室
１２４ バルブ室
１２５ 供給弁
１２６ ロータ
１２６ａ ロータ孔
１２６ｂ ロータ軸
１２７ 弁軸
１２９ スプリング
１３０ スプリングカバー
１３１ カム
１３７ 加熱部
１３９ ハウジングカバー
１４１ 熱風供給口
１４３ 熱風排出口
ａ 作動面
ｂ 作動面
ｃ 作動面

Claims (18)

1. 高圧状態で供給される炭酸ガスが大気圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動する炭酸ガスエンジンと、上記炭酸ガスエンジンから排出される炭酸ガスを回収するタンクと、該タンクに回収された炭酸ガスを吸引するポンプと、上記ポンプより送給される炭酸ガスを冷却する冷却装置と、上記冷却装置より送給される冷却された炭酸ガスを高圧にて圧縮する炭酸ガス圧縮機と、上記炭酸ガス圧縮機より送給される炭酸ガスを貯溜する循環タンクとからなり、上記各部をパイプにより連結して炭酸ガスが循環する循環回路を構成することを特徴とする循環式内圧機関。
2. 請求項１記載の循環式内圧機関において、上記循環回路の供給系経路と回収系経路との接点に三方切替弁を設け、該三方切替弁を介して初期タンクを連結し、供給系のパイプ及び回収系のパイプに送給されてくる炭酸ガスの濃度が設定範囲内にあるか否かを検知するセンサを設け、該センサは上記濃度が設定範囲内に満たないときは初期切替信号を発し、設定範囲内であるときは循環切替信号を発することを特徴とする循環式内圧機関。
3. 請求項１又は請求項２いずれか一記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガス圧縮機及び上記ポンプを同一の動力源たる上記炭酸ガスエンジンにて駆動することを特徴とする循環式内圧機関。
4. 請求項１乃至請求項３いずれか一記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンの加熱部に熱風を供給する圧縮機を設け、該圧縮機を上記炭酸ガスエンジンの動力により駆動することを特徴とする循環式内圧機関。
5. 請求項１記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンがレシプロ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする循環式内圧機関。
6. 請求項１記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンがロータリ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする循環式内圧機関。
7. 請求項１記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガス圧縮機が複数からなり、各炭酸ガス圧縮機が上記冷却装置に接続されることを特徴とする循環式内圧機関。
8. 請求項７記載の循環式内圧機関において、上記各炭酸ガス圧縮機は上記冷却装置に直列接続されることを特徴とする循環式内圧機関。
9. 請求項７記載の循環式内圧機関において、上記各炭酸ガス圧縮機は上記冷却装置に並列接続されることを特徴とする循環式内圧機関。
10. 高圧状態で供給される炭酸ガスが大気圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動する炭酸ガスエンジンと、上記炭酸ガスエンジンから排出される炭酸ガスを回収するタンクと、該タンクに回収された炭酸ガスを吸引するポンプと、上記ポンプより送給される炭酸ガスを冷却する冷却装置と、上記冷却装置より送給される冷却された炭酸ガスを高圧にて圧縮する炭酸ガス圧縮機と、上記炭酸ガス圧縮機より送給される炭酸ガスを貯溜する循環タンクとからなり、上記各部をパイプにより連結して炭酸ガスが循環する循環回路を構成し、上記炭酸ガスエンジンにより発電することを特徴とする発電システム。
11. 請求項１０記載の発電システムにおいて、上記循環回路の供給系経路と回収系経路との接点に三方切替弁を設け、該三方切替弁を介して初期タンクを連結し、供給系のパイプ及び回収系のパイプに送給されてくる炭酸ガスの濃度が設定範囲内にあるか否かを検知するセンサを設け、該センサは上記濃度が設定範囲内に満たないときは初期切替信号を発し、設定範囲内であるときは循環切替信号を発することを特徴とする発電システム。
12. 請求項１０又は請求項１１いずれか一記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガス圧縮機及び上記ポンプを同一の動力源たる上記炭酸ガスエンジンにて駆動することを特徴とする発電システム。
13. 請求項１０乃至請求項１２いずれか一記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンの加熱部に熱風を供給する圧縮機を設け、該圧縮機を上記炭酸ガスエンジンの動力により駆動することを特徴とする発電システム。
14. 請求項１０記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンがレシプロ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする発電システム。
15. 請求項１０記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンがロータリ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする発電システム。
16. 請求項１０記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガス圧縮機が複数からなり、各炭酸ガス圧縮機が上記冷却装置に接続されることを特徴とする発電システム。
17. 請求項１６記載の発電システムにおいて、上記各炭酸ガス圧縮機は上記冷却装置に直列接続されることを特徴とする発電システム。
18. 請求項１６記載の発電システムにおいて、上記各炭酸ガス圧縮機は上記冷却装置に並列接続されることを特徴とする発電システム。

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