崑山科技大學

機械工程系

學生專題製作報告

冷凍機油與含鑽石油精之 R68 潤滑油之流變性能測試

指導教授：朱孝業 專題組員：陳冠霖 學號：4960H250 陳治君 4960H256 陳政汶 4971H028

中華民國 100 年 6 月

2

3

目錄

壹、摘要………………………………………………………03

貳、前言………………………………………………………04

叁、實驗原理…………………………………………………05

肆、實驗儀器設備……………………………………………06

伍、實驗流程…………………………………………………10

陸、結果與討論………………………………………………24

柒、結論………………………………………………………31

4

壹、摘要 我們利用流變儀實驗來進行冷凍機油(3GS、4GS、5GS)、鑽石油精

測試，依不同實驗條件檢測之黏度值油品特性上的比較分析，冷凍機油加

冷媒實驗中，壓力會隨溫度而上升，同時發現溫度在 100℃時兩者會開始

結合而氣化，造成黏度產生不穩定之現象。

鑽石油精方面，由不同濃度(1000 ppm、1500 ppm)組合之下，1000 ppm

比 1500 ppm 的油品，不論有無添加分散劑，以及常壓或加壓下，所以 1000

ppm 黏度表現都比 1500 ppm 黏度值更佳，由此可知，濃度高者不代表潤

滑效果佳。

由於冷凍機油這一區塊，較缺乏人員的涉略與研究，然而油品的使用

期限，對於機械潤滑又是一項重要的關鍵因素，自此著重於油品測試研究

的工作。

5

貳、前言 冷凍機油與冷煤是會互溶的(冷凍循環中)，因此冷凍機油的流變特性

會受到冷煤的影響，首先我們先測試冷凍機油，在大氣壓力下黏度隨著不

同的溫度、剪應力之下的變化，然後再以高壓空氣加壓，以了解高壓下的

冷凍機油與大氣壓力下的有何不同。

我們再測試冷凍機油的流變行為，由於此兩者互溶，所以冷凍機油與

冷媒的混合物的黏度會變化很多，我們藉由流變儀，試圖了解在 0~150℃的溫度範圍下，此混合物的黏度，在不同的剪應力下的變化。

鑽石油精方面，由不同濃度(1000 ppm、1500 ppm)組合之下，測試油

品在 50 rad/s 常壓、加壓之黏度變化差異百分比値。

6

叁、實驗原理

實驗條件：

本實驗使用流變儀在不同溫度、壓力、轉速來測試黏度。

流變儀實驗條件如下：

1.實驗油品：

冷凍機油(3GS、4GS、5GS)。

鑽石油精(1000 ppm、1500 ppm)。

2.實驗溫度：

冷凍油(-5℃~130℃) 。

鑽石油精(0℃~150℃) 。

3.實驗壓力：

常壓~1200 psi。

4.實驗轉速：

冷凍油：0.01~10 rad/s。

鑽石油精：50 rad/s。

7

肆、實驗儀器設備

1. 流變儀。

2. 冷凍機。

3. 乾燥機。

4. 空氣壓縮機。

5. 水槽。

6. 油水分離器。

7. 超音波震盪儀。

8

流變儀 本實驗所使用之流變儀廠牌與型號為TA公司，型號為AR2000ex之流

變儀，它採用最新的Mobius驅動器，配備的多孔碳空氣軸承可以精確控制

應力控制和應變控制實驗。AR2000ex兼具研究的精度和廣度，可以進行從

任何粘度的流體、高分子熔體，到固體以及反應性材料的研究和開發。

流變儀，如下圖所示：

圖 1 AR2000ex 流變儀 圖 2 流變儀之剖面圖

型 號：AR 2000 ex。

規 格：(1) 定子內部半經：4.00 mm。 (2) 轉子外部半經：13.00 mm。 (3) 圓筒進入高度：44.00 mm。

(4) 間隙：3500 μm (推薦)。

(5) 卸下距離：3500 μm。

(6) 幾何測頭慣量：92.00 μN．m．s2 (近似值)。

(7) 樣品體積：9.5 ± 0.5 ml。

(8) 溫度範圍：-10 至 150°C

(9) 最大施加壓力：138 bar (2000 psi)。

(10) 最大壓力 (自增壓)：5 bar (72.5 psi)。

電動機/軸承

Smart swap 接口

機體電動機 法向力感應器 前面板

水接口

9

(11) 扭矩範圍：約100 μN.m 至0.2 N.m。

(12) 最高角度速：50 rad/s。

(13) 密封結構：DuPont Kalrez。

(14) 最高頻率：50 Hz (314 rad/s)。

(15) 最大樣品黏度：幾何測頭不應強行進入樣品。用手施加很

輕的壓力即可壓入。

儀器功用：量測潤滑油品在不同溫度及壓力下的流動係數與黏彈性。

10

伍、實驗流程

1. 打開空氣乾燥機

廠 牌：天鵝牌。

名 稱：供應流體黏度測試設備空氣軸承乾燥加壓空氣(配合 TA)。

規 格：(1)MODEL ＃ UA 10 AC CAPACITY

(2)SERIAL ＃ NO.208117

(3)VOLTAGE 110 PHASE 1 CYCLE 60 HZ

(4)HP 3HP

(5)FREON R-134A / 200803

DESIGN CONDITIONS

100 PSIG-100 AMBIENT-100 INLET AIR TEMP

FREON SUCTION PRESSURE DISCHARGE PRESSURE

R-134a 31-37 100-175

R-22 60-68 200-350

儀器功用：流變儀之空氣軸承，需要乾燥環境，以此乾燥機把實驗所

需空氣乾燥化，避免空氣軸承內之氣孔阻塞。

操作方式：(如圖 3 所示)按鈕 on。Ps：一定要記得開，否則管路內會

水氣會造成機器損壞。

圖 3 空氣乾燥機

11

2. Air compressor（open）氣閥 open

廠 牌：兆盛牌。

名 稱：兆盛空氣壓縮機 Air compressor：

型 式：GS - 10 (無油式)

規 格：空氣壓縮機

(1)出力：1 HP

(2)缸徑：ψ75

(3)衝徑：55 mm

(4)缸數：1

(5)回轉數：760 rpm

(6)排氣量：90 L/min

(7)使用壓力：7 kg/cm2

(8)最大壓力：10 kg/cm2

空氣筒

(1)直徑 X 長度：302ψ X 1050 mm

(2)容量：85 L

(3)設計壓力：10 kg/cm2

(4)試驗壓力：16 kg/cm2

儀器功用：將壓縮空氣送至空氣乾燥機，途中經由空氣乾躁機轉換，

在將壓縮空氣輸出至流變儀空氣軸承所用。

操作方式：此空氣閥於實驗時一定要開啟，以避免 air bearing(空氣軸承)

受損。

圖 4 空氣壓縮機

12

3. 接著開起油水分離器(如圖 5 所示)

型 號：NORGREN

儀器功用：一種能將油與水分離的裝置。油水分離器有多種，主要是

利用油和水間物理性質的差異，像粘附性、密度等，有時

還會使用某些特殊的材料來實現油與水的高效分離。

操作方式：將圖中箭頭所示之閥門保險開至如圖所示之水平位置表示

管路為通路(open)，再檢查氣體壓力是否在 30 psi，如果沒

有 30 psi 調 gage 上方旋鈕，先拉向上再左右調整氣壓高低。

Ps：水份綠色變紅色-則要更換。

圖 5 油水分離器

4. 旋開 bearing 固定蓋

用手將下方黑色固定蓋(如圖 6 箭頭所示)按著固定不動，在將上方銀色拉杆逆時鐘方向旋開(如圖 7 箭頭所示)，即可將 bearing 固定蓋旋開(如圖 8 箭頭所示)。

圖 6 Bearing 固定蓋圖 圖 7 拉杆 圖 8 Bearing 固定蓋旋開圖

13

5. 開啟流變儀

主機電源按鈕（按扭 on 箭頭所示）。

圖 9

6. 冷凍壓縮機

開啟冷凍壓縮機用於機台降溫之用。

圖 10 冷凍壓縮機

儀器功用：利用乙二醇溶液循環壓縮機，將此溶液流經流變儀之腔體

外側，使實驗中之油品能夠快速升降溫度。

溫度範圍：0 ~ -20℃

操作方式：由圖 10 箭頭所示，由控制面板設定實驗時所需溫度

14

7. 開啟程式

軟體名稱：AR Instrument control

操作方式：開啟程式(AR instrumeit control icon如圖 11所示)在Rheology

Advantage instrument control AR 中點選圖「AR-2000EX」

圖 11 AR Instrument control 程式

8. 校正慣量：

操作方式：在流變儀尚未裝上夾具前，需校正慣量來確認機台是否正

常回歸原點，點擊視窗左上角上的 Options → 點 Instrument

（儀器）→ 點 inertia（慣量），點選 calibrate 校正慣量數(如 圖 12 箭頭所示)。

圖 12

15

9. Zero gap 把小磁鐵(白色箭頭指向物體部分(如圖 13 所示)對準 rotor 轉軸上刻線

(轉軸上有一條銀色刻線)，將小磁鐵吸附在 rotor 上方，再將 rotor 放回

圓筒(如圖 14)，並且鎖緊。

圖 13

圖 14

10. 安裝上夾具

將夾具(圖 15箭頭所示部份)向上套入拉杆下方之部分(圖 16箭頭所示

部份)，套到底後，用手繼續扶住夾具，在將上方拉杆順時鐘方向旋

緊，此時才可將夾具放開，完成後(如圖 17 所示)。

圖 15 夾具 圖 16

16

圖 17

11. 安裝圓筒

a.按下流變儀下方控製面板的釋放按扭(如圖 18 所示)，如持續亮綠燈則表示可以安裝圓筒附件，圓筒附件下方有一突起物(如圖 19 所示圈圈部分)，將其對準安裝座之凹槽，安裝完成後安裝座之凹槽部份會產生磁力吸住圓筒附件使其固定。

圖 18 釋放按鈕 圖 19 磁力吸引 b.連接流體線及電源線

17

將圖 20 之箭頭所指管路部份接上，共有三條管路

圖 20 圓筒接管處

c.將夾具上的「o」（圖 21-1 箭頭所示部份）對準小磁鐵，按機台控制

面板上的按鈕（圖 22 箭頭所示部份），慢慢將夾具下降到與小磁

鐵上吸，此時拿掉小磁鐵再將夾具下降到與 rotor 上緣約 1 cm 左右地

方停止。（ps：下降時一定要吸到小磁鐵，不然 rotor 會增加撞壞的可

能性）。 到 rotor 上方（圖 21-22 下方箭頭所示部份）

圖 21 圖 22 控制面板按鈕

d.點左方 zero gap icon（圖 23 箭頭所示），出現 zero gap 視窗後再按，

1

2

18

功能表的 continue 按鈕（圖 23 箭頭□1 所示）執行完後看 gap 是否會

回到高度 3500 micro m 如有便完成（圖 23 箭頭□2 所示）。

圖 23

12. 執行 Options-Instrument-bearing friction calibration，校正圓筒內是否殘留前次實驗之油品與清潔度，範圍 veluei 8-15 μm/（rad/s）(如

圖 24 箭頭所示)。按 option icon→instrument→mics 點 calibrate→下一

步→ok

圖 24

1 2

19

13. Map air bearing 點 icon，mapping setting→standard→perform mapping，約三分鐘。

圖 25

14. loading sample a.升上夾頭按 (圖 26 箭頭所示)使夾具上升到可以吸住小磁鐵間

隙，然後吸住小磁鐵再繼續上升。拔下 pressure cell（按 icon 取

下 pressure cell，（ps：注意小心不要敲到上夾具），將 rotor 及圓筒附

件下來(圖 27 圖 28 所示)。

圖 26 控制面板

20

圖 27 圓筒

圖 28 軸心

b.加入樣品 9.5 c.c.±0.5 c.c.，不要碰到三個氣孔、不要有氣泡，太硬的

樣品不要硬鎖(如圖 29 箭頭所示)，在將 rotor 及圓筒附件裝上流變儀。

把夾具降下吸引小磁鐵，再拆下小磁鐵，在程式內按下 icon（gap）

輸入 3500 micro m，讓夾具降到 3500 micro m(如圖 30 箭頭所示)。

圖 29 圓筒 圖 30

21

15. 增壓安裝流程： a 把兩邊保護蓋旋開，再用板手互鎖鎖到紅色 mark 對齊(如圖 31 箭頭

所示)，把管路接至圓桶氣孔上拴緊(如圖 32 箭頭所示)

圖 31

圖 32

b.鋼瓶：將黑色旋轉扭，向右旋開打開氣瓶，觀看壓力錶，依實驗所需給予多少壓力，紅色閥門打開至水平，讓氣瓶壓力傳送至機台。

圖 33

22

17. 輸入測驗數值：

按下 ，出現 flow procedure 設定表輸入要測

定之數值。 a.輸入測試溫度(如圖 34 箭頭所示)

圖 34

b.輸入轉速、測點模式、溫度是否保持、測試時間(圖 35 箭頭所示)。

圖 35

23

C.測試完成後溫度回復設定(如圖 36 箭頭所示)

圖 36

D.實驗所需條件設定完成後按 開始測試(如圖 37 箭頭所示)。

圖 37

24

陸、結果與討論

6-1 鑽石油精在不同鑽石油精濃度、壓力與溫度下之黏度變化

鑽石油精基礎油 常壓與加壓

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

temperature (°C)

visc

osity

(Pa.

s)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

黏度

差異

百分

比值

常壓 加壓800psi 黏度差異百分比值

圖 38 黏度隨溫度變化差異百分比圖

R68 基礎機油在 50 rad/s、常壓與加壓(800 psig)之測試條件下，由圖 38

顯示出，在低溫過程中，兩者黏度值差異不大，但隨著溫度上升至 100℃

時，常壓黏度值急遽下降，加壓黏度值仍維持良好狀態，然而在油品高溫

黏度百分比值曲線上，看出常壓與加壓之測試，竟相差最高達 90%。

由此可知油品處在壓力(800 psig)之環境下，比常壓之下的油品黏度要

好。圖 38 中之黏度百分比值的定義為：﹝(加壓 800 psi 之黏度值-常壓之

黏度低值)/加壓 800 psi 之黏度值﹞×100%

25

6-2 鑽石油精在不同鑽石油精濃度、溫度下常壓之黏度變化

鑽石油精 無添加分散劑 常壓 1000ppm-1500ppm

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

temperature (°C)

visc

osity

(Pa.

s)

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

黏度

差異

百分

比值

1000ppm 1500ppm 黏度差異百分比值

圖 39 黏度隨溫度變化差異百分比圖

R68 機油在 50 rad/s、1000ppm 與 1500ppm 常壓均無添加分散劑之測試

條件下，由圖 39 得知 1000ppm 與 1500ppm 的油品在 0-130℃差異甚少，

在 140-150℃，黏度值有明顯的降低了許多，兩者黏度百分比值，差異值

最高達 50%，此次的測試中，可看出 1000ppm 比 1500ppm 黏度值佳，所

以濃度高者並不代表潤滑效果好。

26

6-3 鑽石油精在不同鑽石油精濃度、溫度下加壓之黏度變化

鑽石油精 無添加分散劑 加壓 1000ppm-1500ppm

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

temperature (°C)

visc

osity

(Pa.

s)

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

黏度

差異

百分

比值

1000ppm 1500ppm 黏度差異百分比值

圖 40 黏度隨溫度變化差異百分比圖

R68 機油在 50 rad/s、1000ppm 與 1500ppm 加壓均無添加分散劑之測

試條件下，由圖 40 得知油品在 0-90℃時 1500ppm 的黏度值都比 1000ppm

高，但 100-150℃時，1500ppm 黏度值反而比 1000ppm 還低，油品 1500ppm

在高溫情況下，黏度會急劇下降，導致潤滑效果不佳。

27

6-4 鑽石油精在不同鑽石油精濃度、溫度下常壓之黏度變化

鑽石油精 有添加分散劑 常壓 1000ppm-1500ppm

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

temperature (°C)

visc

osity

(Pa.

s)

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

黏度

差異

百分

比值

1000ppm 1500ppm 黏度差異百分比值

圖 41 黏度隨溫度變化差異百分比圖

R68 機油在 50 rad/s、1000ppm 與 1500ppm 常壓與鑽石油精有添加分

散劑之測試條件下，由圖 41 可看出 1000ppm 與 1500ppm 穩定平滑曲線，

1000ppm 還是比 1500ppm 效果還佳，黏度差異百分比值，也成平滑曲線，

最高達約 45%，有添加分散劑兩者油品，在高溫情況下，比無添加分散劑

(如圖 39)黏度值高出許多潤滑效果更佳。

28

6-5 鑽石油精在不同鑽石油精濃度、溫度下加壓之黏度變化

鑽石油精 有添加分散劑 加壓 1000ppm-1500ppm

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

temperature (°C)

visc

osity

(Pa.

s)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

黏度

差異

百分

比值

1000ppm 1500ppm 黏度差異百分比值

圖 42 黏度隨溫度變化差異百分比圖

R68 機油在 50 rad/s、1000ppm 與 1500ppm 加壓與鑽石油精有添加分

散劑之測試條件下，由圖 41 可看出 1000ppm 與 1500ppm 穩定平滑曲線，

1000ppm 還是比 1500ppm 效果還佳，兩者黏度百分比值，在 0~120℃差異

約 4%左右，有添加分散劑兩者油品，在高溫情況下，比無添加分散劑(如

圖 40)黏度值高出許多潤滑效果更佳。

29

6-6 不同冷凍機油在大氣或冷媒環境下，黏度隨不同壓力與溫度之變化

POE68 10Pa 測試

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

temperature (°C)

visc

osity

(Pa.

s)

POE68H第一測試 POE68H+r134a第二測試 POE68H+r12第一測試

圖 43 黏度隨溫度變化之差異圖

圖 43 為冷凍機油 POE68H 在剪應變 10 Pa 下，測試 POE68H 基礎油

與 POE68H 添加 R134a 及 R12 之測試條件下，黏度隨溫度之差異變化圖，

由上圖得知 POE68H 添加 R12 之油品測試相較於 POE68H 基礎油和

POE68H 添加 R134a 之油品測試的黏度值效果較佳，POE68H 加 R134a 是

比 POE68H 加 R12 黏度值略差一點。

30

6-7 不同冷凍機油在大氣或冷媒環境下，黏度隨不同壓力與溫

度之變化

3GS 常壓、加壓、R12 0~130°C

0.001

0.01

0.1

1

10

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

temperature (°C)

vis

cosi

ty (P

a.s)

3GS+900psi 3GS+R12 3GS

圖 44 黏度隨溫度變化之差異圖

冷凍機油 3GS 在常壓、加壓 900psi、R-12 冷媒，測試三種參數之變

化，以冷凍機油 3GS 為標準，冷凍機油 3GS + R-12，兩者混合使黏度大幅

下降許多，加壓 900 psi 效果比添加 R-12 黏度佳。

31

柒、結論 冷凍機油(3GS、4GS、5GS)+R12 的測試中，由溫(-5℃)到高溫(130℃)，

流變儀的錶內壓力會往上提升，冷凍機油在高溫(約 100℃)會與 R-12 混

合，造成高溫時流變的狀態不穩定。

初步結果發現，冷凍機油與冷煤的混合物在 0-150℃的測試溫度下，

似乎會產生飽和現象，由於實驗之冷煤是在密封腔體中，以液態冷煤罐注

入，根據熱力性質表之，在測試溫度範圍下，冷煤是以過熱氣體狀態與冷

凍機油混合，因此混合物，在密封腔體中會產生沸騰之現象，這在我們實

驗中，以一段透明管中可觀察得到，這些現象，導致冷凍機油與冷煤混合

物之測試黏度相當異常，這也是我們始料未及的發現，目前我們測試了四

種冷凍機油，3GS、4GS、5GS 與 POE 以及三種冷煤 R-12、R-22、R-134a。

我們接著將會加裝壓力閥，以不同的冷媒壓力下注入冷媒，以避免直

接灌入一體冷煤時，產生之整體混合物沸騰之況，來觀察未飽和前的混合

物流變行為。

鑽石油精方面，油精的濃度(ppm)和有無添加分散劑來做測試，常壓、

加壓下，不管在低溫或高溫下。有添加分散劑與無添加分散劑在 1000 ppm

與 1500 ppm 油品不管在常壓或加壓之表現下，1000 ppm 比 1500 ppm 的黏

度高而穩定性也佳，可見濃度與黏度不一定會成正比。