压缩技术的基石：空气压缩机的演变

从人类起源到18世纪末，空气压缩技术主要用于金属冶炼。但鼓风机的另一个早期用途是为地下矿井通风，因为矿井是冶炼所需的金属矿石和煤炭的重要来源。

地下采矿历史悠久，可以追溯到数千年前。最早的地下采矿案例之一出现在古代中国，当时人们从竖井矿井中开采煤炭用于金属加工。据记载，欧洲矿工早在公元前4000年及新石器时代就开始挖掘隧道寻找燧石。

早在公元一世纪，一些缺乏技能的农民和劳工就在火把的照明下进行采矿作业，其条件在今天看来既危险又野蛮。他们在矿井内点燃柴火，以促进地表空气向下流通到矿井中。中世纪的希腊人和罗马人在英国和其他地区重新发现了这项技术，并将其应用于铜、镍、锡和铁等金属的开采。在工业革命时期，这项技术在英国得到广泛应用，同时还发展出了日益精密的通风井。

深层煤矿的空气污浊不堪，导致空气污染严重，有时甚至有毒。19世纪末，人们开始使用笼养金丝雀来监测矿井中甲烷和二氧化碳等有害气体的积聚情况。当金丝雀停止鸣叫，并出现精神萎靡或呼吸急促的症状时，就预示着矿工们需要撤离。

早期的通风方法依赖于通过平巷和竖井进行的自然通风，这些通道是进入矿井、运输矿石的唯一途径。被称为横巷的短侧向隧道连接着主要的作业巷道，也用于通风。用火加热矿井空气，使其在横巷中上升，同时通过更远处的其他通道引入新鲜空气。这种通风方式的容量有限，而且需要消耗大量的燃料。

强制矿井通风

早在16世纪，就有记录显示人们使用各种装置来改善矿井通风，这些装置包括风箱、摆动风扇、亚麻布和井口风帆。18世纪蒸汽机的出现，使得风箱和简易的鼓风机开始被用于矿井通风。到了19世纪，人们开始使用更大的往复式步进梁式蒸汽机压缩机。

到了19世纪70年代，罗茨鼓风机公司生产的大型鼓风机开始应用于矿井通风，包括到1870年康斯托克矿脉的几座矿井。1877年，英国一座矿井安装了两台当时最大的鼓风机，每分钟可输送20万立方英尺（5663立方米）的空气。每个叶轮宽13英尺（4米），直径25英尺（7.6米）。

19世纪末，如图1所示的原始风扇开始出现在矿井通风系统中。20世纪初的通风技术包括在隧道口安装鼓风机或低压离心式或螺旋桨式风扇，并通过管道系统进行通风。

技术进步释放了压缩空气的潜力

空气压缩机首次用于冶炼和高炉以外的用途是在1762年，当时一个由水车驱动的“鼓风机”产生了高达14磅/平方英寸（1巴）的压力。最早的工业空气压缩机是蒸汽驱动的。这些设备被用于一些早期的重大水下任务中，为潜水员提供空气。

19世纪初，工程师们就开始使用空气压缩机进行能量传输。19世纪20年代，威尔士建造了一座利用压缩空气的工厂。人们逐渐认识到，压缩空气比蒸汽更适合作为重型机械的动力来源。

压缩空气作为能源或动力源的真正潜力在19世纪下半叶才逐渐显现。例如，罗茨鼓风机最引人注目的应用之一便是1867年纽约地铁的建设。这台大型鼓风机拥有一个6.6米（21.5英尺）高的铁壳，叶轮长达4.9米（16英尺），运输需要五节火车车厢。在每分钟60转的转速下，它能产生每分钟2832立方米（100,000立方英尺）的空气，足以推动一辆22座的客车在地铁隧道内沿轨道单向行驶，然后再将其吸回。

第一个采用压缩空气技术的主要建设项目是弗雷瑞斯铁路隧道。1857年，工人们开始手工挖掘这条连接意大利和法国、穿过欧洲阿尔卑斯山脉塞尼斯山的八英里长的隧道。工程进展缓慢，平均每天只能推进约9英寸（229毫米），预计需要30年才能完工。项目启动四年后，压缩空气被引入到钻孔过程中。来自两国的建筑和采矿团队使用气动钻机，以及用于冷却隧道内空气的湿式压缩机，以便矿工们能够更深入地钻探。借助压缩空气动力工具，隧道于1870年竣工，总共耗时14年。

随着蒸汽动力凿岩机被更高效的气动凿岩机所取代，往复式空气压缩机也迅速发展起来。在美国，兰德-沃林钻机和压缩机公司于1872年推出了第一台用于驱动凿岩机的兰德空气压缩机。约翰·沃林发明了一种使水在空气压缩机气缸侧面和端部循环的方法。这比简单地向气缸内喷水冷却是一项重要的进步。

大约在同一时期，西蒙·英格索尔创办了英格索尔凿岩机公司，生产他获得专利的蒸汽动力凿岩机。当地一位技艺精湛的工匠亨利·萨金特改进了英格索尔的设计，并说服他的老板收购了英格索尔的公司及其专利。萨金特成为英格索尔凿岩机公司的首任总裁，他继续从事往复式空气压缩机和凿岩机的研究与开发，一生共获得61项专利。

这一时期几乎所有的空气压缩机都由蒸汽机驱动。虽然有立式、卧式和角式压缩机，但卧式发动机压缩机是最常见的配置，例如图2所示的英格索尔-萨金特直线型发动机压缩机。英格索尔-萨金特系列于1878年推出，并持续生产了二十多年，直至20世纪初。

下一期将继续探讨支撑工业革命的卧式空气压缩机的快速发展。