古代鼓風機原理：中國古代風機發展史

　　原標題：中國古代風機發展史

　　{C}也不知公元前多少年，我國祖先就發明了簡單的木制礱谷風車，在南方沿用至今。它有一個等寬像現代多葉離心通風機機殼那樣的木板風箱，上面有可放進谷子的方形口，左水平前面有方口，木輪子置于風箱中，輪子木軸伸出，裝有搖把，靠搖把下側設有斜口，輪子前后與風箱均有空隙可進空氣。當手搖動輪子時，將谷子由上口倒進，由于輪子對由輪子與風箱之空隙進去的空氣做功，提高了氣體壓力，將谷殼和稻草末由前方口吹送出去，谷子因為比重大，就由左下側斜口流到谷袋里。這種木質礱谷風車也就是現代離心通風機、鼓風機和壓縮機的鼻祖。

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

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

　　我國古代水排構造的詳細記述最早見于元代的王禎《農書》，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動變成直線往復運動，以此達到啟閉風扇和鼓風的目的。水輪每轉動一次，風扇可以啟閉多次，所以鼓風效能大大提高。高大的爐子和強大的鼓風能力，是冶煉生鐵的必要條件。

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

　　在1634年明代宋應星著的古代科技名著《天工開物》中記載有木風箱，它是古老的活塞式鼓風器，一直沿用至今，可稱之為現代往復式壓縮機的鼻祖。木風箱兩端各設有一個進風口，口上設有活瓣。箱側設有一風道，風道側端各設一個出風口，口上亦裝有活瓣。通過伸出箱外的桿，驅動活塞往復運動，促使活瓣一啟一閉，以達到鼓風的目的。木風箱的動力有人力和水力等。

　　中國風機人我們就自豪吧，中國古代風機發展甩西方幾條街

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古代鼓風機原理：科學史丨鼓風機的祖先是中國發明的？！

　　原標題：科學史丨鼓風機的祖先是中國發明的？！

　　轉載：中科院之聲

　　本文已獲得授權

　　每天回到家，兩歲的女兒都會跑來給我一個擁抱：“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“特別關照”。

　　這都是因為，在中國爺爺手下，佩奇變身為農村燒火做飯用的——鼓風機——而且它也會打呼嚕：吼~吼~

　　《啥是佩奇》截屏

　　手搖式離心鼓風器——扇車

　　那你知道不，爺爺手下的手搖離心式鼓風器——原本就是中國人發明的！早在兩千多年前的兩漢之交時，中國農村就使用了這種機器。我們爺爺的爺爺的爺爺……用它來清選糧食。沒錯，這就是扇車。列位請看：

　　河南濟源泗澗溝24號新莽時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）

　　這是從河南濟源泗澗溝24號新莽時期墓出土的陶扇車（后）與陶碓（前）明器模型。雖然貌不似小豬，但它和離心鼓風機的原理是一樣的。前面的大嬸舂好谷物后，連皮帶米倒入扇車頂部的漏斗里。后面的大叔轉動扇輪，氣流從側孔進入，從前方底部流出；把輕的糠皮吹出來，就可實現米、糠高效分離。

　　若嫌文字繁瑣，下圖可一目了然：

　　濟源泗澗溝陶扇車內部氣流場數值模擬速度矢量圖（黃興）

　　漂亮！

　　其他地區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構線圖（余扶危等.洛陽東關東漢殉人墓.《文物》1973年第2期）

　　山西運城市芮城城南村東漢墓2號陶作坊（趙家有等.山西芮城出土風扇車模型.《農業考古》1988年第2期）

　　美國奈爾遜美術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）

　　這些扇車轉軸的安裝高度都位于車廂中部。計算機模擬顯示空氣進出不太順暢，內部有回流；但風是有的，能工作沒問題。這體現了設計者認為，只要扇輪轉起來就有風。但風是怎么流的，怎樣才使效率最高？設計者對此認識還不夠。

　　洛陽東關類型扇車Gambit模型（黃興）

　　洛陽東關類型扇車氣流場數值模擬速度流線圖（黃興）

　　我們再來一波，列位請上眼：

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

　　河南濟源西窯頭村西漢末期陶扇車結構線圖（黃興）

　　山東臨淄金嶺鎮1號東漢初墓陶米碓扇車（山東省文物考古研究所.山東臨淄金嶺鎮一號東漢墓.《考古學報》1999年第1期）

　　元代王禎《農書》“揚扇”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，順時針轉動扇輪，就把風撥進扇車里（像近代明輪輪船）。但實際上扇輪是整體浸在空氣中，氣流很費力的從軸部進入，而且箱內局部會有空氣回流。

　　臨淄金陵鎮類型扇車氣流場數值模擬速度流線圖（黃興）

　　兩漢時期，扇車已經形成了多種類型，表明它的發明并非偶然。它有著眾多設計者，在中原地區得到了普遍使用。部分設計者對離心運動理解不足，這是一項技術發明初期的共性。河南濟源泗澗溝先進類型扇車在其他地區也有發現。這表明當時已經能夠正確利用離心運動來鼓風。

　　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，濟源泗澗溝類型扇車圖形和實物都已常見，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）

　　浙江開化縣華埠鎮華民村水碓作坊現代扇車（張柏春等．中國傳統工藝全集·傳統機械調查研究．鄭州：大象出版社，2006）

　　《顧氏圖譜》扇車底部也放了一個笸籮，是因為笸籮上方也有一個出糧口。碎米從這個口流出來?！鞍肓w倉”，絕不浪費。

　　這一波扇車的出風口都沿著直徑方向，與氣流離心運動路線略有差距，但吹掉米糠已經足夠用了。

　　直徑方向出風扇車內部氣流場數值模擬速度矢量圖（黃興）

　　還有一種扇車沿著切線方向出風，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. 中國傳統工藝全集·傳統機械調查研究.大象出版社，2006年）

　　呼和浩特黑土凹扇車內部氣流場模擬速度矢量圖（黃興）

　　歐洲古羅馬時期已普遍使用水輪，但未見到離心式鼓風器。1556年，德國礦冶學家阿格里科拉（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。但其進風口都在箱壁外緣，而不是側面軸部。表明其對扇車的認識依然處于中國漢代的早期水平。直到18世紀初，來華傳教士們發現了中國農民使用的扇車，將其視作異寶，運回歐洲；逐漸發展出多種類型，從而有了爺爺手下的佩奇。

　　近十多年來，中國農村正在大變樣，很少再用扇車了。城市中長大的多數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”這架扇車都會成為小朋友們最喜歡的大玩具！（這架扇車已經有了點佩奇的樣子，吼~吼~）

　　中科院自然科學史研究所開放日活動（黃興 攝）

　　容積型鼓風器——風箱、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器。古代扇車沒有提速裝置，轉速慢，風壓低；走的是低風壓、高風量的技術路線，適于扇米。

　　但中國古代也發明了多種容積型鼓風機，可以產生很高的風壓，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——風箱（雙作用活塞式風箱）。答對啦！

　　冶煉用的錦工箱風力十足，要好幾個人才能拉動，常用水力驅動。有時干脆把大樹掏空制成箱體，承壓和密封性都是工業級的。

　　明代宋應星《天工開物》“冶鐵炒鐵”圖

　　云南鶴慶土法煉鉛爐水力驅動的風箱（孫淑云教授供圖）

　　小型的民用風箱用木板拼箍而成。在農村，幾乎每家都有一個，用來燒火做飯。

　　風箱屬于容積型往復式鼓風器。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。

　　這是怎么做到的呢？關鍵點：風箱壁上安裝了4個活門和一個風道。

　　向右拉的時候，左側活門在箱外氣流作用下，自動打開，氣流進入；右方活門在箱內氣流帶動下，自動關閉；這樣活塞右側氣流就通過右下方的活門流到風道內；再從風嘴排出來。反之，向左推的時候，4個活門反向作用，使得右側氣流進入箱內，左側氣流經過風道，從風嘴排出來。有的風箱將風道內的兩個活門合并為一個雙向活門。在氣流帶動下左右開閉，引導氣流從風嘴排出來。真是把活門給玩絕了！

　　雙作用活塞式風箱工作示意圖（俯視，黃興 繪）

　　風箱出現于宋代。南宋刊刻（約1280年）的《演禽斗數三世相書》中有兩幅簡單的風箱圖；近年有學者據服飾特征認為這本書成書于明代。但新發現的西夏陶質雙作用活塞式鼓風器為其出現年代的判定，重新提供了堅實的證據。

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

　　最早的容積型鼓風器就是皮囊。

　　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。其風壓和風量都有限，只能煉銅或冶煉塊煉鐵。

　　中國拉薩娘熱鄉傳統鼓風灶（黃興 攝）

　　印度鐵匠使用渾脫式皮囊鼓風（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世紀雙筒鼓風皮囊（Georgius Agricola: De Re Metallica. 1556.）

　　大型皮囊的風量和風壓都很足；還安裝了活門，氣流自動走它該走的路徑，人只負責推拉就行。這也是應用水力鼓風的重要前提。

　　隨著木工技術的進步，鼓風器進入了木質時代。在中國風箱出現之前，先有了木扇。

　　北宋《武經總要》記載的“行爐”用木扇鼓風；守城時熔化鐵水，向敵人潑灑，或將鐵水裝入土瓶內，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期——李筌著《神機制敵太白陰經》已有文字記載。

　　“行爐”圖（北宋《武經總要》）

　　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《農書》等處中常見它的身影。

　　古代木扇冶鐵動畫（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《農書》“水排”圖（王禎著，王毓瑚校. 王禎農書. 北京:農業出版社，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？這是一個小物理題：木扇的推拉桿位于扇板下方，而扇內氣體壓力等效作用點在中間，由此木扇板就起到了杠桿的作用——木扇更容易產生高風壓。

　　類似的鼓風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為木風箱，很快也用了水力鼓風冶鐵，呼呼的。

　　歐洲水輪驅動的楔形木扇結構圖（Henning Calv?r. Historical Chronological and Mechanical Facts in Relation to Metallurgy in Upper Hercynia. 1763.）

　　17-18世紀日本用踏鞴鼓風鑄錢——爐火太大，上房澆瓦：

　　日本17-18世紀鑄錢場用踏鞴鼓風熔鐵（李延祥 供圖）

　　其他地區也用過小型木質鼓風器。看看馬達加斯加島上生產塊煉鐵的場景。非洲小哥連鼓風的動作都像跳舞，動感十足（請看官腦補：嘿~嘿?。?/p>

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

　　馬達加斯加島上還有一種鼓風器：一根垂直的活塞桿上安裝了兩個活塞，中間隔了一個雙向活門，每個活塞上也有一個單向活門。推拉的時候，側面的C口都能出風。贊！

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

　　這種鼓風器是把兩個風箱串聯起來，其他的雙筒鼓風器可以視為并聯。

　　只有中國的風箱：一個活塞板兩側交替進風、鼓風，將鼓風器的體積精簡到了極致。這才是真正的雙作用！

　　中國古代的鼓風技術長期處于國際前列，對冶金技術的發展貢獻卓著。

　　籍此，中國在公元前8世紀就已建立高大的豎爐冶煉生鐵，爐溫超過1400℃，高效地實現了渣、鐵液態分離。東漢初年，杜詩創制水排，開外掛用水力鼓風冶鐵。漢代起逐漸形成了獨特的生鐵及生鐵制鋼技術體系。歐洲一直沿用簡單低效的塊煉鐵技術，公元13~14世紀才懂得冶煉生鐵。生鐵是中國的另一個大發明，對中華文明在鐵器時代的繁榮和發展功不可沒，而中國古代先進鼓風器——功亦不可沒。

　　好啦，福利又來了~，中國科學院自然科學史研究所也收藏了“佩奇”版鼓風機的遠房親戚——渾脫式皮囊、木扇、雙作用活塞式鼓風器。開放日的時候，小朋友玩的多開心！吼~吼~！

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

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古代鼓風機原理：風機的起源和歷史

　　2000多年前，中國、巴比倫、波斯等國就已利用古老的風車提水灌溉、碾磨谷物。世紀以后，風車在歐洲迅速發展。

　　中國在公元前就已制造出簡單的木制礱谷風車，它的作用原理與現代離心風機基本相同。它有一個等寬像現代多葉離心通風機機殼那樣的木板風箱，上面有可放進谷子的方形口，左水平前面有方口，木輪子置于風箱中，輪子木軸伸出，裝有搖把，靠搖把下側設有斜口，輪子前后與風箱均有空隙可進空氣。當手搖動輪子時，將谷子由上口倒進，由于輪子對由輪子與風箱之空隙進去的空氣做功，提高了氣體壓力，將谷殼和稻草末由前方口吹送出去，谷子因為比重大，就由左下側斜口流到谷袋里。這種木質礱谷風車也就是現代離心通風機、鼓風機和壓縮機的鼻祖。

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

　　水排是我國古代一種冶鐵用的水力鼓風裝置。我國古代水排構造的詳細記述最早見于元代的王禎《農書》，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動變成直線往復運動，以此達到啟閉風扇和鼓風的目的。水輪每轉動一次，風扇可以啟閉多次，所以鼓風效能大大提高。高大的爐子和強大的鼓風能力，是冶煉生鐵的必要條件。

　　在1634年明代宋應星著的古代科技名著《天工開物》中記載有木風箱，它是古老的活塞式鼓風器，一直沿用至今，可稱之為現代往復式壓縮機的鼻祖。木風箱兩端各設有一個進風口，口上設有活瓣。箱側設有一風道，風道側端各設一個出風口，口上亦裝有活瓣。通過伸出箱外的桿，驅動活塞往復運動，促使活瓣一啟一閉，以達到鼓風的目的。木風箱的動力有人力和水力等。

　　?1862年，英國的圭貝爾發明離心風機，其葉輪、機殼為同心圓型，機殼用磚制，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。

　　?1880年，人們設計出用于礦井排送風的蝸形機殼，和后向彎曲葉片的離心風機，結構已比較完善了。

　　?1892年法國研制成橫流風機；

　　?1898年，愛爾蘭人設計出前向葉片的西羅柯式離心風機，并為各國所廣泛采用；19世紀，軸流風機已應用于礦井通風和冶金工業的鼓風，但其壓力僅為100～300帕，效率僅為15～25％，直到二十世紀40年代以后才得到較快的發展。

　　?1935年，德國首先采用軸流等壓風機為鍋爐通風和引風；

　　?1948年,丹麥制成運行中動葉可調的軸流風機；與此同時旋軸流風機、子午加速軸流風機、斜流風機和橫流風機也都獲得了發展。

　　近十年來生產鼓風機的企業逐年增加，但競爭也相對加大了，互相壓價現象嚴重，部分地區出現了少有的現象，使企業的利潤逐年下降，產品多為原有的老型號，幾十年不變的外型設計，現在依然不改。

　　浙江省可瑞斯環?？萍加邢薰臼且患抑铝τ诠澞墉h保的高新技術企業，公司主要從事高效節能環保的玻璃鋼風機、鋼簾線高壓風機、PP風機、防爆風機、軸動式風機等。產品廣泛應用于紡織印染業、精密電子業、半導體工業及化工、醫藥、食品、電鍍、電力、鋼鐵等行業。

　　KRS節能環保玻璃鋼離心風機

　　鋼簾線防腐高壓風機

　　軸動式風機

古代鼓風機原理：鼓風機的祖先是中國發明的？

　　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“特別關照”。

　　這都是因為，在中國爺爺手下，佩奇變身為農村燒火做飯用的——鼓風機——而且它也會打呼嚕：吼~吼~

　　《啥是佩奇》截屏

　　手搖式離心鼓風器——扇車

　　那你知道不，爺爺手下的手搖離心式鼓風器——原本就是中國人發明的！早在兩千多年前的兩漢之交時，中國農村就使用了這種機器。我們爺爺的爺爺的爺爺……用它來清選糧食。沒錯，這就是扇車。列位請看：

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　　河南濟源泗澗溝24號新莽時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）

　　這是從河南濟源泗澗溝24號新莽時期墓出土的陶扇車（后）與陶碓（前）明器模型。雖然貌不似小豬，但它和離心鼓風機的原理是一樣的。前面的大嬸舂好谷物后，連皮帶米倒入扇車頂部的漏斗里。后面的大叔轉動扇輪，氣流從側孔進入，從前方底部流出；把輕的糠皮吹出來，就可實現米、糠高效分離。

　　若嫌文字繁瑣，下圖可一目了然：

　　濟源泗澗溝陶扇車內部氣流場數值模擬速度矢量圖（黃興）

　　漂亮！

　　其他地區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構線圖（余扶危等.洛陽東關東漢殉人墓.《文物》1973年第2期）

　　山西運城市芮城城南村東漢墓2號陶作坊（趙家有等.山西芮城出土風扇車模型.《農業考古》1988年第2期）

　　美國奈爾遜美術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）

　　這些扇車轉軸的安裝高度都位于車廂中部。計算機模擬顯示空氣進出不太順暢，內部有回流；但風是有的，能工作沒問題。這體現了設計者認為，只要扇輪轉起來就有風。但風是怎么流的，怎樣才使效率最高？設計者對此認識還不夠。

　　洛陽東關類型扇車Gambit模型（黃興）

　　洛陽東關類型扇車氣流場數值模擬速度流線圖（黃興）

　　我們再來一波，列位請上眼：

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

　　河南濟源西窯頭村西漢末期陶扇車結構線圖（黃興）

　　山東臨淄金嶺鎮1號東漢初墓陶米碓扇車（山東省文物考古研究所.山東臨淄金嶺鎮一號東漢墓.《考古學報》1999年第1期）

　　元代王禎《農書》“揚扇”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，順時針轉動扇輪，就把風撥進扇車里（像近代明輪輪船）。但實際上扇輪是整體浸在空氣中，氣流很費力的從軸部進入，而且箱內局部會有空氣回流。

　　臨淄金陵鎮類型扇車氣流場數值模擬速度流線圖（黃興）

　　兩漢時期，扇車已經形成了多種類型，表明它的發明并非偶然。它有著眾多設計者，在中原地區得到了普遍使用。部分設計者對離心運動理解不足，這是一項技術發明初期的共性。河南濟源泗澗溝先進類型扇車在其他地區也有發現。這表明當時已經能夠正確利用離心運動來鼓風。

　　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，濟源泗澗溝類型扇車圖形和實物都已常見，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）

　　浙江開化縣華埠鎮華民村水碓作坊現代扇車（張柏春等．中國傳統工藝全集·傳統機械調查研究．鄭州：大象出版社，2006）

　　《顧氏圖譜》扇車底部也放了一個笸籮，是因為笸籮上方也有一個出糧口。碎米從這個口流出來。“半粒歸倉”，絕不浪費。

　　這一波扇車的出風口都沿著直徑方向，與氣流離心運動路線略有差距，但吹掉米糠已經足夠用了。

　　直徑方向出風扇車內部氣流場數值模擬速度矢量圖（黃興）

　　還有一種扇車沿著切線方向出風，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. 中國傳統工藝全集·傳統機械調查研究.大象出版社，2006年）

　　呼和浩特黑土凹扇車內部氣流場模擬速度矢量圖（黃興）

　　歐洲古羅馬時期已普遍使用水輪，但未見到離心式鼓風器。1556年，德國礦冶學家阿格里科拉（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。但其進風口都在箱壁外緣，而不是側面軸部。表明其對扇車的認識依然處于中國漢代的早期水平。直到18世紀初，來華傳教士們發現了中國農民使用的扇車，將其視作異寶，運回歐洲；逐漸發展出多種類型，從而有了爺爺手下的佩奇。

　　近十多年來，中國農村正在大變樣，很少再用扇車了。城市中長大的多數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”這架扇車都會成為小朋友們最喜歡的大玩具?。ㄟ@架扇車已經有了點佩奇的樣子，吼~吼~）

　　中科院自然科學史研究所開放日活動（黃興 攝）

　　容積型鼓風器——風箱、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器。古代扇車沒有提速裝置，轉速慢，風壓低；走的是低風壓、高風量的技術路線，適于扇米。

　　但中國古代也發明了多種容積型鼓風機，可以產生很高的風壓，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——風箱（雙作用活塞式風箱）。答對啦！

　　冶煉用的錦工箱風力十足，要好幾個人才能拉動，常用水力驅動。有時干脆把大樹掏空制成箱體，承壓和密封性都是工業級的。

　　明代宋應星《天工開物》“冶鐵炒鐵”圖

　　云南鶴慶土法煉鉛爐水力驅動的風箱（孫淑云教授供圖）

　　小型的民用風箱用木板拼箍而成。在農村，幾乎每家都有一個，用來燒火做飯。

　　風箱屬于容積型往復式鼓風器。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。

　　這是怎么做到的呢？關鍵點：風箱壁上安裝了4個活門和一個風道。

　　向右拉的時候，左側活門在箱外氣流作用下，自動打開，氣流進入；右方活門在箱內氣流帶動下，自動關閉；這樣活塞右側氣流就通過右下方的活門流到風道內；再從風嘴排出來。反之，向左推的時候，4個活門反向作用，使得右側氣流進入箱內，左側氣流經過風道，從風嘴排出來。有的風箱將風道內的兩個活門合并為一個雙向活門。在氣流帶動下左右開閉，引導氣流從風嘴排出來。真是把活門給玩絕了！

　　雙作用活塞式風箱工作示意圖（俯視，黃興 繪）

　　風箱出現于宋代。南宋刊刻（約1280年）的《演禽斗數三世相書》中有兩幅簡單的風箱圖；近年有學者據服飾特征認為這本書成書于明代。但新發現的西夏陶質雙作用活塞式鼓風器為其出現年代的判定，重新提供了堅實的證據。

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

　　最早的容積型鼓風器就是皮囊。

　　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。其風壓和風量都有限，只能煉銅或冶煉塊煉鐵。

　　中國拉薩娘熱鄉傳統鼓風灶（黃興 攝）

　　印度鐵匠使用渾脫式皮囊鼓風（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世紀雙筒鼓風皮囊（Georgius Agricola: De Re Metallica. 1556.）

　　大型皮囊的風量和風壓都很足；還安裝了活門，氣流自動走它該走的路徑，人只負責推拉就行。這也是應用水力鼓風的重要前提。

　　隨著木工技術的進步，鼓風器進入了木質時代。在中國風箱出現之前，先有了木扇。

　　北宋《武經總要》記載的“行爐”用木扇鼓風；守城時熔化鐵水，向敵人潑灑，或將鐵水裝入土瓶內，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期——李筌著《神機制敵太白陰經》已有文字記載。

　　“行爐”圖（北宋《武經總要》）

　　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《農書》等處中常見它的身影。

　　古代木扇冶鐵動畫（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《農書》“水排”圖（王禎著，王毓瑚校. 王禎農書. 北京:農業出版社，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？這是一個小物理題：木扇的推拉桿位于扇板下方，而扇內氣體壓力等效作用點在中間，由此木扇板就起到了杠桿的作用——木扇更容易產生高風壓。

　　類似的鼓風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為木風箱，很快也用了水力鼓風冶鐵，呼呼的。

　　歐洲水輪驅動的楔形木扇結構圖（Henning Calv?r. Historical Chronological and Mechanical Facts in Relation to Metallurgy in Upper Hercynia. 1763.）

　　17-18世紀日本用踏鞴鼓風鑄錢——爐火太大，上房澆瓦：

　　日本17-18世紀鑄錢場用踏鞴鼓風熔鐵（李延祥 供圖）

　　其他地區也用過小型木質鼓風器。看看馬達加斯加島上生產塊煉鐵的場景。非洲小哥連鼓風的動作都像跳舞，動感十足（請看官腦補：嘿~嘿?。?/p>

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

　　馬達加斯加島上還有一種鼓風器：一根垂直的活塞桿上安裝了兩個活塞，中間隔了一個雙向活門，每個活塞上也有一個單向活門。推拉的時候，側面的C口都能出風。贊！

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

　　這種鼓風器是把兩個風箱串聯起來，其他的雙筒鼓風器可以視為并聯。

　　只有中國的風箱：一個活塞板兩側交替進風、鼓風，將鼓風器的體積精簡到了極致。這才是真正的雙作用！

　　中國古代的鼓風技術長期處于國際前列，對冶金技術的發展貢獻卓著。

　　籍此，中國在公元前8世紀就已建立高大的豎爐冶煉生鐵，爐溫超過1400℃，高效地實現了渣、鐵液態分離。東漢初年，杜詩創制水排，開外掛用水力鼓風冶鐵。漢代起逐漸形成了獨特的生鐵及生鐵制鋼技術體系。歐洲一直沿用簡單低效的塊煉鐵技術，公元13~14世紀才懂得冶煉生鐵。生鐵是中國的另一個大發明，對中華文明在鐵器時代的繁榮和發展功不可沒，而中國古代先進鼓風器——功亦不可沒。

　　好啦，福利又來了~，中國科學院自然科學史研究所也收藏了“佩奇”版鼓風機的遠房親戚——渾脫式皮囊、木扇、雙作用活塞式鼓風器。開放日的時候，小朋友玩的多開心！吼~吼~！

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

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