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?！逗鬂h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。“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！（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。

　　浙江省可瑞斯環保科技有限公司是一家致力于節能環保的高新技術企業，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?！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?？纯瘩R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！）

　　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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