古代鼓風(fēng)機(jī)原理：中國古代風(fēng)機(jī)發(fā)展史

　　原標(biāo)題：中國古代風(fēng)機(jī)發(fā)展史

　　{C}也不知公元前多少年，我國祖先就發(fā)明了簡單的木制礱谷風(fēng)車，在南方沿用至今。它有一個(gè)等寬像現(xiàn)代多葉離心通風(fēng)機(jī)機(jī)殼那樣的木板風(fēng)箱，上面有可放進(jìn)谷子的方形口，左水平前面有方口，木輪子置于風(fēng)箱中，輪子木軸伸出，裝有搖把，靠搖把下側(cè)設(shè)有斜口，輪子前后與風(fēng)箱均有空隙可進(jìn)空氣。當(dāng)手搖動(dòng)輪子時(shí)，將谷子由上口倒進(jìn)，由于輪子對由輪子與風(fēng)箱之空隙進(jìn)去的空氣做功，提高了氣體壓力，將谷殼和稻草末由前方口吹送出去，谷子因?yàn)楸戎卮?，就由左下?cè)斜口流到谷袋里。這種木質(zhì)礱谷風(fēng)車也就是現(xiàn)代離心通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的鼻祖。

　　鼓風(fēng)器至遲發(fā)明于商、西周時(shí)。早期是用牛皮或馬皮制成的一種皮囊，古時(shí)稱之為橐(tuo)。橐是最早的鼓風(fēng)器，也是風(fēng)箱的前身。

　　水排是我國古代一種冶鐵用的水力鼓風(fēng)裝置。一座爐子用幾個(gè)橐排成一排，稱為“排囊”。用水力推動(dòng)這種排橐，便稱“水排”。水排的發(fā)明是人類利用自然力的一次成功典例。

　　我國古代水排構(gòu)造的詳細(xì)記述最早見于元代的王禎《農(nóng)書》，依水輪放置方式的差別，水排分成立輪式和臥輪式兩種。它們都是通過輪軸、拉桿以及繩索把圓周運(yùn)動(dòng)變成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此達(dá)到啟閉風(fēng)扇和鼓風(fēng)的目的。水輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，風(fēng)扇可以啟閉多次，所以鼓風(fēng)效能大大提高。高大的爐子和強(qiáng)大的鼓風(fēng)能力，是冶煉生鐵的必要條件。

　　水力風(fēng)箱，又稱水排、水力、鼓風(fēng)水排。公元31年中國人發(fā)明了水力風(fēng)箱。《后漢書》記載了南陽太守杜詩發(fā)明以水為動(dòng)力、用于鑄造鐵制農(nóng)具的水力風(fēng)箱（鼓風(fēng)水排）的事情。并精辟評價(jià)說：它“用力少而建功多，百姓便之?！薄：髞戆l(fā)明家杜預(yù)對這種風(fēng)箱作了大量改進(jìn)，鼓風(fēng)水排代代流傳，越來越廣泛地傳遍了全中國。而歐洲直到公元13世紀(jì)，才開始使用鼓風(fēng)水排，這比中國晚1200年。

　　在1634年明代宋應(yīng)星著的古代科技名著《天工開物》中記載有木風(fēng)箱，它是古老的活塞式鼓風(fēng)器，一直沿用至今，可稱之為現(xiàn)代往復(fù)式壓縮機(jī)的鼻祖。木風(fēng)箱兩端各設(shè)有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，口上設(shè)有活瓣。箱側(cè)設(shè)有一風(fēng)道，風(fēng)道側(cè)端各設(shè)一個(gè)出風(fēng)口，口上亦裝有活瓣。通過伸出箱外的桿，驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，促使活瓣一啟一閉，以達(dá)到鼓風(fēng)的目的。木風(fēng)箱的動(dòng)力有人力和水力等。

　　中國風(fēng)機(jī)人我們就自豪吧，中國古代風(fēng)機(jī)發(fā)展甩西方幾條街

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古代鼓風(fēng)機(jī)原理：科學(xué)史丨鼓風(fēng)機(jī)的祖先是中國發(fā)明的？！

　　原標(biāo)題：科學(xué)史丨鼓風(fēng)機(jī)的祖先是中國發(fā)明的？！

　　轉(zhuǎn)載：中科院之聲

　　本文已獲得授權(quán)

　　每天回到家，兩歲的女兒都會(huì)跑來給我一個(gè)擁抱：“爸爸！我要看小豬佩奇和爸爸媽媽！”

　　佩奇原本是一只英國小豬。這幾天正在刷屏的《啥是佩奇》竟然給它引來了兩大官微的“特別關(guān)照”。

　　這都是因?yàn)椋谥袊鵂敔斒窒?，佩奇變身為農(nóng)村燒火做飯用的——鼓風(fēng)機(jī)——而且它也會(huì)打呼嚕：吼~吼~

　　《啥是佩奇》截屏

　　手搖式離心鼓風(fēng)器——扇車

　　那你知道不，爺爺手下的手搖離心式鼓風(fēng)器——原本就是中國人發(fā)明的！早在兩千多年前的兩漢之交時(shí)，中國農(nóng)村就使用了這種機(jī)器。我們爺爺?shù)臓敔數(shù)臓敔敗盟鼇砬暹x糧食。沒錯(cuò)，這就是扇車。列位請看：

　　河南濟(jì)源泗澗溝24號(hào)新莽時(shí)期墓出土的陶扇車與陶碓明器模型（河南博物院 顧永杰供圖）

　　這是從河南濟(jì)源泗澗溝24號(hào)新莽時(shí)期墓出土的陶扇車（后）與陶碓（前）明器模型。雖然貌不似小豬，但它和離心鼓風(fēng)機(jī)的原理是一樣的。前面的大嬸舂好谷物后，連皮帶米倒入扇車頂部的漏斗里。后面的大叔轉(zhuǎn)動(dòng)扇輪，氣流從側(cè)孔進(jìn)入，從前方底部流出；把輕的糠皮吹出來，就可實(shí)現(xiàn)米、糠高效分離。

　　若嫌文字繁瑣，下圖可一目了然：

　　濟(jì)源泗澗溝陶扇車內(nèi)部氣流場數(shù)值模擬速度矢量圖（黃興）

　　漂亮！

　　其他地區(qū)也出土了不少西漢末至東漢的陶扇車模型，我們需要分類介紹。且看這一波：

　　河南洛陽旭升村東漢晚期墓陶扇車與陶石碓（余扶危等.洛陽東關(guān)東漢殉人墓.《文物》1973年第2期）

　　河南洛陽旭升村陶扇車與陶石碓結(jié)構(gòu)線圖（余扶危等.洛陽東關(guān)東漢殉人墓.《文物》1973年第2期）

　　山西運(yùn)城市芮城城南村東漢墓2號(hào)陶作坊（趙家有等.山西芮城出土風(fēng)扇車模型.《農(nóng)業(yè)考古》1988年第2期）

　　美國奈爾遜美術(shù)館藏中國漢代陶扇車作坊（Ross E. et al.,Handbook, Nelson Gallery of Art, AtkinsMuseum, Volume I. Kansas City,University Trustees, 1959）

　　這些扇車轉(zhuǎn)軸的安裝高度都位于車廂中部。計(jì)算機(jī)模擬顯示空氣進(jìn)出不太順暢，內(nèi)部有回流；但風(fēng)是有的，能工作沒問題。這體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者認(rèn)為，只要扇輪轉(zhuǎn)起來就有風(fēng)。但風(fēng)是怎么流的，怎樣才使效率最高？設(shè)計(jì)者對此認(rèn)識(shí)還不夠。

　　洛陽東關(guān)類型扇車Gambit模型（黃興）

　　洛陽東關(guān)類型扇車氣流場數(shù)值模擬速度流線圖（黃興）

　　我們再來一波，列位請上眼：

　　河南濟(jì)源西窯頭村10號(hào)西漢末期墓陶扇車模型（李彩霞.濟(jì)源西窯頭村M10出土陶塑器物賞析.《中原文物》2010年第4期）

　　河南濟(jì)源西窯頭村西漢末期陶扇車結(jié)構(gòu)線圖（黃興）

　　山東臨淄金嶺鎮(zhèn)1號(hào)東漢初墓陶米碓扇車（山東省文物考古研究所.山東臨淄金嶺鎮(zhèn)一號(hào)東漢墓.《考古學(xué)報(bào)》1999年第1期）

　　元代王禎《農(nóng)書》“揚(yáng)扇”圖（《四庫全書》）

　　以上扇車的輪軸被架在了車廂頂部。在操作者看來，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)扇輪，就把風(fēng)撥進(jìn)扇車?yán)铮ㄏ窠鬏嗇喆?。但?shí)際上扇輪是整體浸在空氣中，氣流很費(fèi)力的從軸部進(jìn)入，而且箱內(nèi)局部會(huì)有空氣回流。

　　臨淄金陵鎮(zhèn)類型扇車氣流場數(shù)值模擬速度流線圖（黃興）

　　兩漢時(shí)期，扇車已經(jīng)形成了多種類型，表明它的發(fā)明并非偶然。它有著眾多設(shè)計(jì)者，在中原地區(qū)得到了普遍使用。部分設(shè)計(jì)者對離心運(yùn)動(dòng)理解不足，這是一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明初期的共性。河南濟(jì)源泗澗溝先進(jìn)類型扇車在其他地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)。這表明當(dāng)時(shí)已經(jīng)能夠正確利用離心運(yùn)動(dòng)來鼓風(fēng)。

　　這足以讓我們驚嘆一下：我的祖宗！你們在兩千年前竟然制造出了這樣的神器！

　　明代以來，濟(jì)源泗澗溝類型扇車圖形和實(shí)物都已常見，我們再來一波：

　　明代《顧氏圖譜》（1603年）扇車圖（鄭振鐸.中國版畫叢刊（3）.上海：上海古籍出版社，1988年）

　　浙江開化縣華埠鎮(zhèn)華民村水碓作坊現(xiàn)代扇車（張柏春等．中國傳統(tǒng)工藝全集·傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)查研究．鄭州：大象出版社，2006）

　　《顧氏圖譜》扇車底部也放了一個(gè)笸籮，是因?yàn)轶突j上方也有一個(gè)出糧口。碎米從這個(gè)口流出來?！鞍肓w倉”，絕不浪費(fèi)。

　　這一波扇車的出風(fēng)口都沿著直徑方向，與氣流離心運(yùn)動(dòng)路線略有差距，但吹掉米糠已經(jīng)足夠用了。

　　直徑方向出風(fēng)扇車內(nèi)部氣流場數(shù)值模擬速度矢量圖（黃興）

　　還有一種扇車沿著切線方向出風(fēng)，在打谷場上用的多，力道很足；有的地方稱其為老虎扇車。

　　呼和浩特黑土凹村扇車（張柏春等. 中國傳統(tǒng)工藝全集·傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)查研究.大象出版社，2006年）

　　呼和浩特黑土凹扇車內(nèi)部氣流場模擬速度矢量圖（黃興）

　　歐洲古羅馬時(shí)期已普遍使用水輪，但未見到離心式鼓風(fēng)器。1556年，德國礦冶學(xué)家阿格里科拉（Georgius Agricola）出版的De Re Metallica一書中繪制了多部離心式扇車，用于巷道通風(fēng)。但其進(jìn)風(fēng)口都在箱壁外緣，而不是側(cè)面軸部。表明其對扇車的認(rèn)識(shí)依然處于中國漢代的早期水平。直到18世紀(jì)初，來華傳教士們發(fā)現(xiàn)了中國農(nóng)民使用的扇車，將其視作異寶，運(yùn)回歐洲；逐漸發(fā)展出多種類型，從而有了爺爺手下的佩奇。

　　近十多年來，中國農(nóng)村正在大變樣，很少再用扇車了。城市中長大的多數(shù)孩子對扇車更是聞所未聞。

　　不過呢~，福利來了——中科院自然科學(xué)史研究所就收藏了一架扇車。每年“中科院開放日”這架扇車都會(huì)成為小朋友們最喜歡的大玩具?。ㄟ@架扇車已經(jīng)有了點(diǎn)佩奇的樣子，吼~吼~）

　　中科院自然科學(xué)史研究所開放日活動(dòng)（黃興 攝）

　　容積型鼓風(fēng)器——風(fēng)箱、皮囊、木扇......

　　有人說了：你說的這些扇車都是扇米的，不能用來燒火做飯。說對了！扇車屬于速度型離心式鼓風(fēng)器。古代扇車沒有提速裝置，轉(zhuǎn)速慢，風(fēng)壓低；走的是低風(fēng)壓、高風(fēng)量的技術(shù)路線，適于扇米。

　　但中國古代也發(fā)明了多種容積型鼓風(fēng)機(jī)，可以產(chǎn)生很高的風(fēng)壓，不僅用來燒火，還能用來煉鐵，更是厲害得不得了。

　　大家首先想到的可能就是——風(fēng)箱（雙作用活塞式風(fēng)箱）。答對啦！

　　冶煉用的錦工箱風(fēng)力十足，要好幾個(gè)人才能拉動(dòng)，常用水力驅(qū)動(dòng)。有時(shí)干脆把大樹掏空制成箱體，承壓和密封性都是工業(yè)級的。

　　明代宋應(yīng)星《天工開物》“冶鐵炒鐵”圖

　　云南鶴慶土法煉鉛爐水力驅(qū)動(dòng)的風(fēng)箱（孫淑云教授供圖）

　　小型的民用風(fēng)箱用木板拼箍而成。在農(nóng)村，幾乎每家都有一個(gè)，用來燒火做飯。

　　風(fēng)箱屬于容積型往復(fù)式鼓風(fēng)器。通過壓縮容積，將空氣擠出去；只要使勁壓，就可以形成很高的靜壓。其妙處在于——推拉過程都可以鼓風(fēng)。

　　這是怎么做到的呢？關(guān)鍵點(diǎn)：風(fēng)箱壁上安裝了4個(gè)活門和一個(gè)風(fēng)道。

　　向右拉的時(shí)候，左側(cè)活門在箱外氣流作用下，自動(dòng)打開，氣流進(jìn)入；右方活門在箱內(nèi)氣流帶動(dòng)下，自動(dòng)關(guān)閉；這樣活塞右側(cè)氣流就通過右下方的活門流到風(fēng)道內(nèi)；再從風(fēng)嘴排出來。反之，向左推的時(shí)候，4個(gè)活門反向作用，使得右側(cè)氣流進(jìn)入箱內(nèi)，左側(cè)氣流經(jīng)過風(fēng)道，從風(fēng)嘴排出來。有的風(fēng)箱將風(fēng)道內(nèi)的兩個(gè)活門合并為一個(gè)雙向活門。在氣流帶動(dòng)下左右開閉，引導(dǎo)氣流從風(fēng)嘴排出來。真是把活門給玩絕了！

　　雙作用活塞式風(fēng)箱工作示意圖（俯視，黃興 繪）

　　風(fēng)箱出現(xiàn)于宋代。南宋刊刻（約1280年）的《演禽斗數(shù)三世相書》中有兩幅簡單的風(fēng)箱圖；近年有學(xué)者據(jù)服飾特征認(rèn)為這本書成書于明代。但新發(fā)現(xiàn)的西夏陶質(zhì)雙作用活塞式鼓風(fēng)器為其出現(xiàn)年代的判定，重新提供了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。

　　中外也曾使用其他多種容積型鼓風(fēng)器，但都是單向鼓風(fēng)，像注射器一樣，只有朝一個(gè)方向壓的時(shí)候才有風(fēng)。一般將兩個(gè)鼓風(fēng)器作為一組，交替推拉，以形成持續(xù)的氣流。

　　最早的容積型鼓風(fēng)器就是皮囊。

　　原始的渾脫式皮囊，需要手持木柄一張、一合、再一壓，把空氣吸進(jìn)來、鼓出去；在印度、中國西藏、東北亞等地，以及在歐洲的吉普賽人都使用過。其風(fēng)壓和風(fēng)量都有限，只能煉銅或冶煉塊煉鐵。

　　中國拉薩娘熱鄉(xiāng)傳統(tǒng)鼓風(fēng)灶（黃興 攝）

　　印度鐵匠使用渾脫式皮囊鼓風(fēng)（Thomas Ewbank. A Deive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various.1858）

　　東北亞北方四島原住民使用的渾脫式皮囊（《北蝦夷圖說》）

　　下面這一波大型皮囊屬于升級版：

　　山東藤縣東漢鼓風(fēng)鍛鐵畫像石上的皮囊（國家博物館藏，黃興 攝）

　　歐洲楔形皮囊（德國魯爾博物館藏，潛偉 攝）

　　西班牙盧斯塔尼亞16世紀(jì)雙筒鼓風(fēng)皮囊（Georgius Agricola: De Re Metallica. 1556.）

　　大型皮囊的風(fēng)量和風(fēng)壓都很足；還安裝了活門，氣流自動(dòng)走它該走的路徑，人只負(fù)責(zé)推拉就行。這也是應(yīng)用水力鼓風(fēng)的重要前提。

　　隨著木工技術(shù)的進(jìn)步，鼓風(fēng)器進(jìn)入了木質(zhì)時(shí)代。在中國風(fēng)箱出現(xiàn)之前，先有了木扇。

　　北宋《武經(jīng)總要》記載的“行爐”用木扇鼓風(fēng)；守城時(shí)熔化鐵水，向敵人潑灑，或?qū)㈣F水裝入土瓶內(nèi)，拋向敵人?！靶袪t”最早可以追溯到唐玄宗李隆基的兒子唐肅宗時(shí)期——李筌著《神機(jī)制敵太白陰經(jīng)》已有文字記載。

　　“行爐”圖（北宋《武經(jīng)總要》）

　　影視劇中燒紅的烙鐵已讓人“不燙而栗”；“鐵水淋頭”誰樂意腦補(bǔ)一下？額~~

　　木扇被廣泛用于冶金場所。在敦煌榆林窟西夏壁畫《千手觀音變》、元代《熬波圖》與王禎《農(nóng)書》等處中常見它的身影。

　　古代木扇冶鐵動(dòng)畫（黃興 制作）

　　敦煌榆林窟西夏壁畫《千手觀音變》局部“打鐵”圖（J. Needham. Science and Civilization in China（Ⅳ︰2）,1965）

　　元代陳椿《熬波圖詠》“鑄造鐵盤”圖（《四庫全書》）

　　元代王禎《農(nóng)書》“水排”圖（王禎著，王毓瑚校. 王禎農(nóng)書. 北京:農(nóng)業(yè)出版社，1981）

　　木扇甚至一直用到了近幾年——我們冶金考古夏令營也用木扇冶煉。

　　大家都覺得木扇很給力，為啥？這是一個(gè)小物理題：木扇的推拉桿位于扇板下方，而扇內(nèi)氣體壓力等效作用點(diǎn)在中間，由此木扇板就起到了杠桿的作用——木扇更容易產(chǎn)生高風(fēng)壓。

　　類似的鼓風(fēng)器在其他國家也有使用，但晚了很多。1550年前后，德國工匠將楔形皮囊改進(jìn)為木風(fēng)箱，很快也用了水力鼓風(fēng)冶鐵，呼呼的。

　　歐洲水輪驅(qū)動(dòng)的楔形木扇結(jié)構(gòu)圖（Henning Calv?r. Historical Chronological and Mechanical Facts in Relation to Metallurgy in Upper Hercynia. 1763.）

　　17-18世紀(jì)日本用踏鞴鼓風(fēng)鑄錢——爐火太大，上房澆瓦：

　　日本17-18世紀(jì)鑄錢場用踏鞴鼓風(fēng)熔鐵（李延祥 供圖）

　　其他地區(qū)也用過小型木質(zhì)鼓風(fēng)器?？纯瘩R達(dá)加斯加島上生產(chǎn)塊煉鐵的場景。非洲小哥連鼓風(fēng)的動(dòng)作都像跳舞，動(dòng)感十足（請看官腦補(bǔ)：嘿~嘿！）

　　馬達(dá)加斯加塊煉鐵雙缸鼓風(fēng)筒（William Ellis, et al.. History of Madagascar. 1838.）

　　馬達(dá)加斯加島上還有一種鼓風(fēng)器：一根垂直的活塞桿上安裝了兩個(gè)活塞，中間隔了一個(gè)雙向活門，每個(gè)活塞上也有一個(gè)單向活門。推拉的時(shí)候，側(cè)面的C口都能出風(fēng)。贊！

　　馬達(dá)加斯加雙活塞鼓風(fēng)筒（Thomas Ewbank. A Deive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various, 1858.）

　　這種鼓風(fēng)器是把兩個(gè)風(fēng)箱串聯(lián)起來，其他的雙筒鼓風(fēng)器可以視為并聯(lián)。

　　只有中國的風(fēng)箱：一個(gè)活塞板兩側(cè)交替進(jìn)風(fēng)、鼓風(fēng)，將鼓風(fēng)器的體積精簡到了極致。這才是真正的雙作用！

　　中國古代的鼓風(fēng)技術(shù)長期處于國際前列，對冶金技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)卓著。

　　籍此，中國在公元前8世紀(jì)就已建立高大的豎爐冶煉生鐵，爐溫超過1400℃，高效地實(shí)現(xiàn)了渣、鐵液態(tài)分離。東漢初年，杜詩創(chuàng)制水排，開外掛用水力鼓風(fēng)冶鐵。漢代起逐漸形成了獨(dú)特的生鐵及生鐵制鋼技術(shù)體系。歐洲一直沿用簡單低效的塊煉鐵技術(shù)，公元13~14世紀(jì)才懂得冶煉生鐵。生鐵是中國的另一個(gè)大發(fā)明，對中華文明在鐵器時(shí)代的繁榮和發(fā)展功不可沒，而中國古代先進(jìn)鼓風(fēng)器——功亦不可沒。

　　好啦，福利又來了~，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所也收藏了“佩奇”版鼓風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)房親戚——渾脫式皮囊、木扇、雙作用活塞式鼓風(fēng)器。開放日的時(shí)候，小朋友玩的多開心！吼~吼~！

　　來源：中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，僅供分享不做任何商業(yè)用途，歸原作者所有，如有問題，請聯(lián)系我們刪除，并表示歉意，謝謝！

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古代鼓風(fēng)機(jī)原理：風(fēng)機(jī)的起源和歷史

　　2000多年前，中國、巴比倫、波斯等國就已利用古老的風(fēng)車提水灌溉、碾磨谷物。世紀(jì)以后，風(fēng)車在歐洲迅速發(fā)展。

　　中國在公元前就已制造出簡單的木制礱谷風(fēng)車，它的作用原理與現(xiàn)代離心風(fēng)機(jī)基本相同。它有一個(gè)等寬像現(xiàn)代多葉離心通風(fēng)機(jī)機(jī)殼那樣的木板風(fēng)箱，上面有可放進(jìn)谷子的方形口，左水平前面有方口，木輪子置于風(fēng)箱中，輪子木軸伸出，裝有搖把，靠搖把下側(cè)設(shè)有斜口，輪子前后與風(fēng)箱均有空隙可進(jìn)空氣。當(dāng)手搖動(dòng)輪子時(shí)，將谷子由上口倒進(jìn)，由于輪子對由輪子與風(fēng)箱之空隙進(jìn)去的空氣做功，提高了氣體壓力，將谷殼和稻草末由前方口吹送出去，谷子因?yàn)楸戎卮?，就由左下?cè)斜口流到谷袋里。這種木質(zhì)礱谷風(fēng)車也就是現(xiàn)代離心通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的鼻祖。

　　鼓風(fēng)器至遲發(fā)明于商、西周時(shí)。早期是用牛皮或馬皮制成的一種皮囊，古時(shí)稱之為橐(tuo)。橐是最早的鼓風(fēng)器，也是風(fēng)箱的前身。

　　水排是我國古代一種冶鐵用的水力鼓風(fēng)裝置。我國古代水排構(gòu)造的詳細(xì)記述最早見于元代的王禎《農(nóng)書》，依水輪放置方式的差別，水排分成立輪式和臥輪式兩種。它們都是通過輪軸、拉桿以及繩索把圓周運(yùn)動(dòng)變成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此達(dá)到啟閉風(fēng)扇和鼓風(fēng)的目的。水輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，風(fēng)扇可以啟閉多次，所以鼓風(fēng)效能大大提高。高大的爐子和強(qiáng)大的鼓風(fēng)能力，是冶煉生鐵的必要條件。

　　在1634年明代宋應(yīng)星著的古代科技名著《天工開物》中記載有木風(fēng)箱，它是古老的活塞式鼓風(fēng)器，一直沿用至今，可稱之為現(xiàn)代往復(fù)式壓縮機(jī)的鼻祖。木風(fēng)箱兩端各設(shè)有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，口上設(shè)有活瓣。箱側(cè)設(shè)有一風(fēng)道，風(fēng)道側(cè)端各設(shè)一個(gè)出風(fēng)口，口上亦裝有活瓣。通過伸出箱外的桿，驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，促使活瓣一啟一閉，以達(dá)到鼓風(fēng)的目的。木風(fēng)箱的動(dòng)力有人力和水力等。

　　?1862年，英國的圭貝爾發(fā)明離心風(fēng)機(jī)，其葉輪、機(jī)殼為同心圓型，機(jī)殼用磚制，木制葉輪采用后向直葉片，效率僅為40％左右，主要用于礦山通風(fēng)。

　　?1880年，人們設(shè)計(jì)出用于礦井排送風(fēng)的蝸形機(jī)殼，和后向彎曲葉片的離心風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)已比較完善了。

　　?1892年法國研制成橫流風(fēng)機(jī)；

　　?1898年，愛爾蘭人設(shè)計(jì)出前向葉片的西羅柯式離心風(fēng)機(jī)，并為各國所廣泛采用；19世紀(jì)，軸流風(fēng)機(jī)已應(yīng)用于礦井通風(fēng)和冶金工業(yè)的鼓風(fēng)，但其壓力僅為100～300帕，效率僅為15～25％，直到二十世紀(jì)40年代以后才得到較快的發(fā)展。

　　?1935年，德國首先采用軸流等壓風(fēng)機(jī)為鍋爐通風(fēng)和引風(fēng)；

　　?1948年,丹麥制成運(yùn)行中動(dòng)葉可調(diào)的軸流風(fēng)機(jī)；與此同時(shí)旋軸流風(fēng)機(jī)、子午加速軸流風(fēng)機(jī)、斜流風(fēng)機(jī)和橫流風(fēng)機(jī)也都獲得了發(fā)展。

　　近十年來生產(chǎn)鼓風(fēng)機(jī)的企業(yè)逐年增加，但競爭也相對加大了，互相壓價(jià)現(xiàn)象嚴(yán)重，部分地區(qū)出現(xiàn)了少有的現(xiàn)象，使企業(yè)的利潤逐年下降，產(chǎn)品多為原有的老型號(hào)，幾十年不變的外型設(shè)計(jì)，現(xiàn)在依然不改。

　　浙江省可瑞斯環(huán)?？萍加邢薰臼且患抑铝τ诠?jié)能環(huán)保的高新技術(shù)企業(yè)，公司主要從事高效節(jié)能環(huán)保的玻璃鋼風(fēng)機(jī)、鋼簾線高壓風(fēng)機(jī)、PP風(fēng)機(jī)、防爆風(fēng)機(jī)、軸動(dòng)式風(fēng)機(jī)等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于紡織印染業(yè)、精密電子業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)及化工、醫(yī)藥、食品、電鍍、電力、鋼鐵等行業(yè)。

　　KRS節(jié)能環(huán)保玻璃鋼離心風(fēng)機(jī)

　　鋼簾線防腐高壓風(fēng)機(jī)

　　軸動(dòng)式風(fēng)機(jī)

古代鼓風(fēng)機(jī)原理：鼓風(fēng)機(jī)的祖先是中國發(fā)明的？

　　佩奇原本是一只英國小豬。這幾天正在刷屏的《啥是佩奇》竟然給它引來了兩大官微的“特別關(guān)照”。

　　這都是因?yàn)?，在中國爺爺手下，佩奇變身為農(nóng)村燒火做飯用的——鼓風(fēng)機(jī)——而且它也會(huì)打呼嚕：吼~吼~

　　《啥是佩奇》截屏

　　手搖式離心鼓風(fēng)器——扇車

　　那你知道不，爺爺手下的手搖離心式鼓風(fēng)器——原本就是中國人發(fā)明的！早在兩千多年前的兩漢之交時(shí)，中國農(nóng)村就使用了這種機(jī)器。我們爺爺?shù)臓敔數(shù)臓敔敗盟鼇砬暹x糧食。沒錯(cuò)，這就是扇車。列位請看：

　　展開剩余94%

　　河南濟(jì)源泗澗溝24號(hào)新莽時(shí)期墓出土的陶扇車與陶碓明器模型（河南博物院 顧永杰供圖）

　　這是從河南濟(jì)源泗澗溝24號(hào)新莽時(shí)期墓出土的陶扇車（后）與陶碓（前）明器模型。雖然貌不似小豬，但它和離心鼓風(fēng)機(jī)的原理是一樣的。前面的大嬸舂好谷物后，連皮帶米倒入扇車頂部的漏斗里。后面的大叔轉(zhuǎn)動(dòng)扇輪，氣流從側(cè)孔進(jìn)入，從前方底部流出；把輕的糠皮吹出來，就可實(shí)現(xiàn)米、糠高效分離。

　　若嫌文字繁瑣，下圖可一目了然：

　　濟(jì)源泗澗溝陶扇車內(nèi)部氣流場數(shù)值模擬速度矢量圖（黃興）

　　漂亮！

　　其他地區(qū)也出土了不少西漢末至東漢的陶扇車模型，我們需要分類介紹。且看這一波：

　　河南洛陽旭升村東漢晚期墓陶扇車與陶石碓（余扶危等.洛陽東關(guān)東漢殉人墓.《文物》1973年第2期）

　　河南洛陽旭升村陶扇車與陶石碓結(jié)構(gòu)線圖（余扶危等.洛陽東關(guān)東漢殉人墓.《文物》1973年第2期）

　　山西運(yùn)城市芮城城南村東漢墓2號(hào)陶作坊（趙家有等.山西芮城出土風(fēng)扇車模型.《農(nóng)業(yè)考古》1988年第2期）

　　美國奈爾遜美術(shù)館藏中國漢代陶扇車作坊（Ross E. et al.,Handbook, Nelson Gallery of Art, AtkinsMuseum, Volume I. Kansas City,University Trustees, 1959）

　　這些扇車轉(zhuǎn)軸的安裝高度都位于車廂中部。計(jì)算機(jī)模擬顯示空氣進(jìn)出不太順暢，內(nèi)部有回流；但風(fēng)是有的，能工作沒問題。這體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者認(rèn)為，只要扇輪轉(zhuǎn)起來就有風(fēng)。但風(fēng)是怎么流的，怎樣才使效率最高？設(shè)計(jì)者對此認(rèn)識(shí)還不夠。

　　洛陽東關(guān)類型扇車Gambit模型（黃興）

　　洛陽東關(guān)類型扇車氣流場數(shù)值模擬速度流線圖（黃興）

　　我們再來一波，列位請上眼：

　　河南濟(jì)源西窯頭村10號(hào)西漢末期墓陶扇車模型（李彩霞.濟(jì)源西窯頭村M10出土陶塑器物賞析.《中原文物》2010年第4期）

　　河南濟(jì)源西窯頭村西漢末期陶扇車結(jié)構(gòu)線圖（黃興）

　　山東臨淄金嶺鎮(zhèn)1號(hào)東漢初墓陶米碓扇車（山東省文物考古研究所.山東臨淄金嶺鎮(zhèn)一號(hào)東漢墓.《考古學(xué)報(bào)》1999年第1期）

　　元代王禎《農(nóng)書》“揚(yáng)扇”圖（《四庫全書》）

　　以上扇車的輪軸被架在了車廂頂部。在操作者看來，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)扇輪，就把風(fēng)撥進(jìn)扇車?yán)铮ㄏ窠鬏嗇喆?。但?shí)際上扇輪是整體浸在空氣中，氣流很費(fèi)力的從軸部進(jìn)入，而且箱內(nèi)局部會(huì)有空氣回流。

　　臨淄金陵鎮(zhèn)類型扇車氣流場數(shù)值模擬速度流線圖（黃興）

　　兩漢時(shí)期，扇車已經(jīng)形成了多種類型，表明它的發(fā)明并非偶然。它有著眾多設(shè)計(jì)者，在中原地區(qū)得到了普遍使用。部分設(shè)計(jì)者對離心運(yùn)動(dòng)理解不足，這是一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明初期的共性。河南濟(jì)源泗澗溝先進(jìn)類型扇車在其他地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)。這表明當(dāng)時(shí)已經(jīng)能夠正確利用離心運(yùn)動(dòng)來鼓風(fēng)。

　　這足以讓我們驚嘆一下：我的祖宗！你們在兩千年前竟然制造出了這樣的神器！

　　明代以來，濟(jì)源泗澗溝類型扇車圖形和實(shí)物都已常見，我們再來一波：

　　明代《顧氏圖譜》（1603年）扇車圖（鄭振鐸.中國版畫叢刊（3）.上海：上海古籍出版社，1988年）

　　浙江開化縣華埠鎮(zhèn)華民村水碓作坊現(xiàn)代扇車（張柏春等．中國傳統(tǒng)工藝全集·傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)查研究．鄭州：大象出版社，2006）

　　《顧氏圖譜》扇車底部也放了一個(gè)笸籮，是因?yàn)轶突j上方也有一個(gè)出糧口。碎米從這個(gè)口流出來?！鞍肓w倉”，絕不浪費(fèi)。

　　這一波扇車的出風(fēng)口都沿著直徑方向，與氣流離心運(yùn)動(dòng)路線略有差距，但吹掉米糠已經(jīng)足夠用了。

　　直徑方向出風(fēng)扇車內(nèi)部氣流場數(shù)值模擬速度矢量圖（黃興）

　　還有一種扇車沿著切線方向出風(fēng)，在打谷場上用的多，力道很足；有的地方稱其為老虎扇車。

　　呼和浩特黑土凹村扇車（張柏春等. 中國傳統(tǒng)工藝全集·傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)查研究.大象出版社，2006年）

　　呼和浩特黑土凹扇車內(nèi)部氣流場模擬速度矢量圖（黃興）

　　歐洲古羅馬時(shí)期已普遍使用水輪，但未見到離心式鼓風(fēng)器。1556年，德國礦冶學(xué)家阿格里科拉（Georgius Agricola）出版的De Re Metallica一書中繪制了多部離心式扇車，用于巷道通風(fēng)。但其進(jìn)風(fēng)口都在箱壁外緣，而不是側(cè)面軸部。表明其對扇車的認(rèn)識(shí)依然處于中國漢代的早期水平。直到18世紀(jì)初，來華傳教士們發(fā)現(xiàn)了中國農(nóng)民使用的扇車，將其視作異寶，運(yùn)回歐洲；逐漸發(fā)展出多種類型，從而有了爺爺手下的佩奇。

　　近十多年來，中國農(nóng)村正在大變樣，很少再用扇車了。城市中長大的多數(shù)孩子對扇車更是聞所未聞。

　　不過呢~，福利來了——中科院自然科學(xué)史研究所就收藏了一架扇車。每年“中科院開放日”這架扇車都會(huì)成為小朋友們最喜歡的大玩具?。ㄟ@架扇車已經(jīng)有了點(diǎn)佩奇的樣子，吼~吼~）

　　中科院自然科學(xué)史研究所開放日活動(dòng)（黃興 攝）

　　容積型鼓風(fēng)器——風(fēng)箱、皮囊、木扇......

　　有人說了：你說的這些扇車都是扇米的，不能用來燒火做飯。說對了！扇車屬于速度型離心式鼓風(fēng)器。古代扇車沒有提速裝置，轉(zhuǎn)速慢，風(fēng)壓低；走的是低風(fēng)壓、高風(fēng)量的技術(shù)路線，適于扇米。

　　但中國古代也發(fā)明了多種容積型鼓風(fēng)機(jī)，可以產(chǎn)生很高的風(fēng)壓，不僅用來燒火，還能用來煉鐵，更是厲害得不得了。

　　大家首先想到的可能就是——風(fēng)箱（雙作用活塞式風(fēng)箱）。答對啦！

　　冶煉用的錦工箱風(fēng)力十足，要好幾個(gè)人才能拉動(dòng)，常用水力驅(qū)動(dòng)。有時(shí)干脆把大樹掏空制成箱體，承壓和密封性都是工業(yè)級的。

　　明代宋應(yīng)星《天工開物》“冶鐵炒鐵”圖

　　云南鶴慶土法煉鉛爐水力驅(qū)動(dòng)的風(fēng)箱（孫淑云教授供圖）

　　小型的民用風(fēng)箱用木板拼箍而成。在農(nóng)村，幾乎每家都有一個(gè)，用來燒火做飯。

　　風(fēng)箱屬于容積型往復(fù)式鼓風(fēng)器。通過壓縮容積，將空氣擠出去；只要使勁壓，就可以形成很高的靜壓。其妙處在于——推拉過程都可以鼓風(fēng)。

　　這是怎么做到的呢？關(guān)鍵點(diǎn)：風(fēng)箱壁上安裝了4個(gè)活門和一個(gè)風(fēng)道。

　　向右拉的時(shí)候，左側(cè)活門在箱外氣流作用下，自動(dòng)打開，氣流進(jìn)入；右方活門在箱內(nèi)氣流帶動(dòng)下，自動(dòng)關(guān)閉；這樣活塞右側(cè)氣流就通過右下方的活門流到風(fēng)道內(nèi)；再從風(fēng)嘴排出來。反之，向左推的時(shí)候，4個(gè)活門反向作用，使得右側(cè)氣流進(jìn)入箱內(nèi)，左側(cè)氣流經(jīng)過風(fēng)道，從風(fēng)嘴排出來。有的風(fēng)箱將風(fēng)道內(nèi)的兩個(gè)活門合并為一個(gè)雙向活門。在氣流帶動(dòng)下左右開閉，引導(dǎo)氣流從風(fēng)嘴排出來。真是把活門給玩絕了！

　　雙作用活塞式風(fēng)箱工作示意圖（俯視，黃興 繪）

　　風(fēng)箱出現(xiàn)于宋代。南宋刊刻（約1280年）的《演禽斗數(shù)三世相書》中有兩幅簡單的風(fēng)箱圖；近年有學(xué)者據(jù)服飾特征認(rèn)為這本書成書于明代。但新發(fā)現(xiàn)的西夏陶質(zhì)雙作用活塞式鼓風(fēng)器為其出現(xiàn)年代的判定，重新提供了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。

　　中外也曾使用其他多種容積型鼓風(fēng)器，但都是單向鼓風(fēng)，像注射器一樣，只有朝一個(gè)方向壓的時(shí)候才有風(fēng)。一般將兩個(gè)鼓風(fēng)器作為一組，交替推拉，以形成持續(xù)的氣流。

　　最早的容積型鼓風(fēng)器就是皮囊。

　　原始的渾脫式皮囊，需要手持木柄一張、一合、再一壓，把空氣吸進(jìn)來、鼓出去；在印度、中國西藏、東北亞等地，以及在歐洲的吉普賽人都使用過。其風(fēng)壓和風(fēng)量都有限，只能煉銅或冶煉塊煉鐵。

　　中國拉薩娘熱鄉(xiāng)傳統(tǒng)鼓風(fēng)灶（黃興 攝）

　　印度鐵匠使用渾脫式皮囊鼓風(fēng)（Thomas Ewbank. A Deive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various.1858）

　　東北亞北方四島原住民使用的渾脫式皮囊（《北蝦夷圖說》）

　　下面這一波大型皮囊屬于升級版：

　　山東藤縣東漢鼓風(fēng)鍛鐵畫像石上的皮囊（國家博物館藏，黃興 攝）

　　歐洲楔形皮囊（德國魯爾博物館藏，潛偉 攝）

　　西班牙盧斯塔尼亞16世紀(jì)雙筒鼓風(fēng)皮囊（Georgius Agricola: De Re Metallica. 1556.）

　　大型皮囊的風(fēng)量和風(fēng)壓都很足；還安裝了活門，氣流自動(dòng)走它該走的路徑，人只負(fù)責(zé)推拉就行。這也是應(yīng)用水力鼓風(fēng)的重要前提。

　　隨著木工技術(shù)的進(jìn)步，鼓風(fēng)器進(jìn)入了木質(zhì)時(shí)代。在中國風(fēng)箱出現(xiàn)之前，先有了木扇。

　　北宋《武經(jīng)總要》記載的“行爐”用木扇鼓風(fēng)；守城時(shí)熔化鐵水，向敵人潑灑，或?qū)㈣F水裝入土瓶內(nèi)，拋向敵人?！靶袪t”最早可以追溯到唐玄宗李隆基的兒子唐肅宗時(shí)期——李筌著《神機(jī)制敵太白陰經(jīng)》已有文字記載。

　　“行爐”圖（北宋《武經(jīng)總要》）

　　影視劇中燒紅的烙鐵已讓人“不燙而栗”；“鐵水淋頭”誰樂意腦補(bǔ)一下？額~~

　　木扇被廣泛用于冶金場所。在敦煌榆林窟西夏壁畫《千手觀音變》、元代《熬波圖》與王禎《農(nóng)書》等處中常見它的身影。

　　古代木扇冶鐵動(dòng)畫（黃興 制作）

　　敦煌榆林窟西夏壁畫《千手觀音變》局部“打鐵”圖（J. Needham. Science and Civilization in China（Ⅳ︰2）,1965）

　　元代陳椿《熬波圖詠》“鑄造鐵盤”圖（《四庫全書》）

　　元代王禎《農(nóng)書》“水排”圖（王禎著，王毓瑚校. 王禎農(nóng)書. 北京:農(nóng)業(yè)出版社，1981）

　　木扇甚至一直用到了近幾年——我們冶金考古夏令營也用木扇冶煉。

　　大家都覺得木扇很給力，為啥？這是一個(gè)小物理題：木扇的推拉桿位于扇板下方，而扇內(nèi)氣體壓力等效作用點(diǎn)在中間，由此木扇板就起到了杠桿的作用——木扇更容易產(chǎn)生高風(fēng)壓。

　　類似的鼓風(fēng)器在其他國家也有使用，但晚了很多。1550年前后，德國工匠將楔形皮囊改進(jìn)為木風(fēng)箱，很快也用了水力鼓風(fēng)冶鐵，呼呼的。

　　歐洲水輪驅(qū)動(dòng)的楔形木扇結(jié)構(gòu)圖（Henning Calv?r. Historical Chronological and Mechanical Facts in Relation to Metallurgy in Upper Hercynia. 1763.）

　　17-18世紀(jì)日本用踏鞴鼓風(fēng)鑄錢——爐火太大，上房澆瓦：

　　日本17-18世紀(jì)鑄錢場用踏鞴鼓風(fēng)熔鐵（李延祥 供圖）

　　其他地區(qū)也用過小型木質(zhì)鼓風(fēng)器?？纯瘩R達(dá)加斯加島上生產(chǎn)塊煉鐵的場景。非洲小哥連鼓風(fēng)的動(dòng)作都像跳舞，動(dòng)感十足（請看官腦補(bǔ)：嘿~嘿?。?/p>

　　馬達(dá)加斯加塊煉鐵雙缸鼓風(fēng)筒（William Ellis, et al.. History of Madagascar. 1838.）

　　馬達(dá)加斯加島上還有一種鼓風(fēng)器：一根垂直的活塞桿上安裝了兩個(gè)活塞，中間隔了一個(gè)雙向活門，每個(gè)活塞上也有一個(gè)單向活門。推拉的時(shí)候，側(cè)面的C口都能出風(fēng)。贊！

　　馬達(dá)加斯加雙活塞鼓風(fēng)筒（Thomas Ewbank. A Deive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern, with Observations on Various, 1858.）

　　這種鼓風(fēng)器是把兩個(gè)風(fēng)箱串聯(lián)起來，其他的雙筒鼓風(fēng)器可以視為并聯(lián)。

　　只有中國的風(fēng)箱：一個(gè)活塞板兩側(cè)交替進(jìn)風(fēng)、鼓風(fēng)，將鼓風(fēng)器的體積精簡到了極致。這才是真正的雙作用！

　　中國古代的鼓風(fēng)技術(shù)長期處于國際前列，對冶金技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)卓著。

　　籍此，中國在公元前8世紀(jì)就已建立高大的豎爐冶煉生鐵，爐溫超過1400℃，高效地實(shí)現(xiàn)了渣、鐵液態(tài)分離。東漢初年，杜詩創(chuàng)制水排，開外掛用水力鼓風(fēng)冶鐵。漢代起逐漸形成了獨(dú)特的生鐵及生鐵制鋼技術(shù)體系。歐洲一直沿用簡單低效的塊煉鐵技術(shù)，公元13~14世紀(jì)才懂得冶煉生鐵。生鐵是中國的另一個(gè)大發(fā)明，對中華文明在鐵器時(shí)代的繁榮和發(fā)展功不可沒，而中國古代先進(jìn)鼓風(fēng)器——功亦不可沒。

　　好啦，福利又來了~，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所也收藏了“佩奇”版鼓風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)房親戚——渾脫式皮囊、木扇、雙作用活塞式鼓風(fēng)器。開放日的時(shí)候，小朋友玩的多開心！吼~吼~！

　　來源：中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，僅供分享不做任何商業(yè)用途，歸原作者所有，如有問題，請聯(lián)系我們刪除，并表示歉意，謝謝！

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