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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen geschlossenen umlaufenden Kühlkanal aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kolben mit Flüssigmetallkühlung haben den Vorteil, dass während der Kolbenbewegung, das flüssige Kühlmittel innerhalb des Kühlkanals bewegt wird und somit sehr gut die Wärme von den heißen Stellen abgeführt werden kann. Flüssige Metalle haben dabei den besonderen Vorteil, dass sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität aufweisen und wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt werden können als Motoröl, so dass die Wärmeübertragung besonders gut ist.
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Die Auswahl an Metallen oder Metalllegierungen, die bereits bei Zimmertemperatur flüssig sind, begrenzt sich jedoch entweder auf hochreaktive bzw. selbstentzündliche Metalle, wie beispielsweise Alkalimetalle, auf gesundheitskritische Metalle, wie beispielsweise Blei Cadmium und Quecksilber, die jeweils zu erheblichem Mehraufwand bei der Produktion und Entsorgung der Kolben führen würden, oder sehr teure Metalle, wie beispielsweise Indium und Gallium. Die Verwendung von Metallen, die erst bei einer höheren Temperatur flüssig werden, ist ebenfalls problematisch. Es kann passieren, dass der Kolbenkopf, insbesondere im Bereich der Brennraummulde bereits durch die hohe Temperatur beschädigt wird, bevor das Kühlmittel geschmolzen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform für einen Kolben mit Flüssigkeitmetallkühlung bereitzustellen, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass auf feuergefährliche oder giftige Metalle verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in dem Kühlkanal ein erstes metallisches Kühlmittel und ein zweites nichtmetallisches Kühlmittel anzuordnen. Das erstes Kühlmittel weist eine niedrig schmelzende Metalllegierung aufweist. Das zweite Kühlmittel weist einen Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes des ersten Kühlmittels auf, vorzugsweise einen Schmelzpunkt unterhalb der Raumtemperatur. Das zweite Kühlmittel dient als Start- oder Hilfskühlmittel. Es bewirkt, dass bereits in der Startphase des Verbrennungsmotors Wärme nicht nur durch Wärmeleitung, sondern auch durch Konvektion vom heißen Kolbenboden zu dem ersten noch festen metallischen Kühlmittel übertragen wird, so dass der Schmelzvorgang des ersten Hauptkühlmittels schneller erfolgt. Das zweite Kühlmittel dient also dazu, die Phase zu verkürzen, in welchem das erste Kühlmittel noch nicht flüssig ist und somit noch nicht zur konvektiven Kühlung beitragen kann. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass in dem Kühlkanal ein zweites nichtmetallisches Kühlmittel angeordnet ist und dass das zweite Kühlmittel einen Schmelzpunkt von unter 40° aufweist und eine Dichte aufweist, die kleiner ist als eine Dichte des ersten Kühlmittels. Dadurch schwimmt das zweite Kühlmittel nach Abstellen des Verbrennungsmotors auf dem ersten Kühlmittel und wird nicht vom ersten Kühlmittel beim Erstarren desselben eingeschlossen. Somit kann erreicht werden, dass sich das Kühlmittel vom Start weg in dem Kühlkanal bewegen und somit ausreichend zur Kühlung beitragen kann, um die erste Startphase zu überbrücken, in welcher das erste metallische Kühlmittel noch nicht geschmolzen ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste Kühlmittel einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb von 250°C liegt. Eine günstige Möglichkeit sieht allerdings vor, dass der Schmelzpunkt des ersten Kühlmittels unter 200°C, vorzugsweise unter 150°C liegt. Dadurch kann vermieden werden, dass das erste Kühlmittel im Betrieb bei niedriger Motorleistung wieder erstarrt. Je niedriger der Schmelzpunkt ist, desto kürzer ist auch die Startphase, in welchem das erste Kühlmittel noch nicht zur Kühlung beitragen kann. Dadurch kann eine höhere Leistung des Verbrennungsmotors in der ersten Kaltstartphase toleriert werden.
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Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass der Schmelzpunkt des zweiten Kühlmittels unter 30°, besonders bevorzugt unter 20° liegt. Dadurch wird bewirkt, dass das zweite Kühlmittel bereits in der Kaltstartphase flüssig ist und zur Kühlung beiträgt und somit die Verflüssigung des ersten Kühlmittels beschleunigen kann.
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Eine weitere besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass das erste Kühlmittel keine gesundheitsgefährdenden, Umwelt gefährdenden oder selbstentzündlichen Metalle aufweist. Insbesondere bedeutet dies, dass keine Alkalimetalle als erstes Kühlmittel verwendet werden. Des Weiteren werden auch keine giftigen Schwermetalle wie Quecksilber, Cadmium oder Blei benötigt. Dies erleichtert die Handhabung sowohl bei der Herstellung der Kolben als auch bei der Entsorgung der Kolben.
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Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das erste Kühlmittel Zinn, Bismut, Gallium, Indium und/oder Silber aufweist. Diese Metalle sind ungiftig, und reaktionsträge, so dass die Gefahr der Selbstentzündung sehr gering ist. Darüber hinaus bieten diese Metalle allein oder in Legierung einen niedrigen Schmelzpunkt.
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Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das erste Kühlmittel eine Zinn-Bismut-Legierung aufweist. Eine solche Legierung weist einen niedrigen Schmelzpunkt auf. Je nach Mischungsverhältnis kann der Schmelzpunkt bis auf 138°C abgesenkt werden. Daher ist eine solche Zinn-Bismut-Legierung sehr gut geeignet.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das erste Kühlmittel eine Zinn-Silber-Legierung aufweist. Zinn selbst hat bereits einen niedrigen Schmelzpunkt von 232°C. Durch die Zugabe von Silber kann dieser noch weiter abgesenkt werden. Daher ist eine solche Zinn-Silber-Legierung ebenfalls vorteilhaft. Vorteilhaft sind auch andere niedrigschmelzende Legierungen, insbesondere auf Zinn- oder Bismut-Basis, darunter auch handelsübliche Weichlote, die auch Anteile an Elementen wie etwa Ga, In, Pb, Ag oder Cu enthalten oder mit diesen versetzt werden können. In kleinen Mengen können die zwar an sich unerwünschten Metalle durchaus enthalten sein, um eine weitere Senkung des Schmelzpunktes zu ermöglichen.
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Eine günstige Variante sieht vor, dass das erste Kühlmittel eine Legierung mit einer eutektischen Mischung der Legierungsbestandteile aufweist. Legierungen haben im eutektischen Mischverhältnis den niedrigsten Schmelzpunkt, wie z.B. Sn42Bi58 mit 138°C oder Sn96Ag4 mit 221 °C. Daher sind zumindest näherungsweise eutektische Mischungen, auch aus mehr als zwei Elementen, für das erste Kühlmittel besonders günstig geeignet.
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Eine weitere günstige Variante sieht vor, dass das zweite Kühlmittel bis zu 300°C, vorzugsweise bis 400°C und besonders bevorzugt bis 500°C temperaturbeständig ist. Dies ist aufgrund der hohen Temperaturen in einem Verbrennungsmotor vorteilhaft.
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Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass das zweite Kühlmittel eine Mischung aus Biphenyl und Diphenylether aufweist, vorzugsweise eine eutektische Mischung aus Biphenyl und Diphenylether. Durch die Benzolringe sind sowohl Biphenyl als auch Diphenylether thermisch sehr stabil. Insbesondere ist eine solche Mischung auch bei 400°C noch chemisch stabil. Des Weiteren weist diese Mischung einen Schmelzpunkt von 15°C auf, so dass das zweite Kühlmittel sehr früh, häufig schon sofort ab Motorstart, einsatzfähig ist.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das zweite Kühlmittel Silikonöl aufweist. Silikonöle sind ebenfalls thermisch stabil. Darüber hinaus kann der gewünschte Schmelzpunkt gezielt eingestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das zweite Kühlmittel Silikonöl, Biphenyl und Diphenylether aufweist. Durch die Mischung dieser Stoffe, können die Eigenschaften des zweiten Kühlmittels noch genauer angepasst werden. Es versteht sich, dass auch andere ausreichend hitzebeständige organische Stoffe als zweites Kühlmittel eingesetzt werden können, wie beispielsweise Terphenylen.
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Eine günstige Lösung sieht vor, dass das zweite Kühlmittel Wasser aufweist. Wasser weist eine hohe Temperaturbeständigkeit, eine hohe Wärmekapazität und einen niedrigen Schmelzpunkt auf, so dass Wasser sehr gut als zweites Kühlmittel geeignet ist. Um den Schmelzpunkt noch weiter abzusenken kann vorgesehen sein, dass dem Wasser Salz zugefügt wird, so dass das zweite Kühlmittel Wasser und ein Salz aufweist. Bevorzugt werden dabei Salze verwendet, die eine mögliche Reaktion des Wassers mit dem ersten Kühlmittel oder dem Kolbenmaterial, wie beispielsweise Stahl, vermeiden oder nur geringfügig beeinflussen. Vorzugsweise werden zur Vermeidung chemischer Reaktionen möglichst pH neutrale Salze oder zumindest nur schwach sauer oder schwach basisch reagierende Salze verwendet. Als besonders bevorzugtes Salz hat dich Natriumsulfat erwiesen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung von Natriumchlorid, Natriumnitrat oder Natriumhydrogenphosphat (Na2HPO4) oder Mischungen aus den vorgenannten Salzen.
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Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass die Dichte des ersten Kühlmittels mindestens das 5-fache der Dichte des zweiten Kühlmittels beträgt, vorzugsweise mindestens das 7-fache der Dichte des zweiten Kühlmittels. Das zweite Kühlmittel wird nur dazu benötigt, die Wärme zum ersten Kühlmittel zu transportieren bis dieses geschmolzen ist. Wenn das erste Kühlmittel in flüssiger Form vorliegt, ist das zweite Kühlmittel für die Kühlung eher hinderlich, da es üblicherweise eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das erste metallische Kühlmittel. Durch die wesentlich höhere Dichte des ersten Kühlmittels gegenüber dem zweiten Kühlmittel wird das erste Kühlmittel bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens dem zweiten Kühlmittel vorauseilen und dieses unter dem Einfluss der Trägheitskräfte aus dem oberen bzw. unteren Endbereich des Kühlkanals weitgehend verdrängen und damit im flüssigen Zustand intensiver mit der Oberfläche des Kühlkanals wechselwirken als das zweite Kühlmittel. Das erste Kühlmittel trägt auf diese Weise im betriebswarmen Zustand noch stärker zum gewünschten Wärmetransport bei.
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Eine zweckmäßige Lösung sieht vor, dass ein Volumen des ersten Kühlmittels und ein Volumen des zweiten Kühlmittels zusammen mindestens 10 Vol.% eines Volumens des Kühlkanals einnehmen. Es hat sich gezeigt, dass eine Füllung das Kühlkanals mit Kühlmittel von 10% ausreichen ist, um den gewünschten Wärmetransport in ausreichender Weise zu bewerkstelligen. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Volumen der Kühlmittel im Kühlkanal von 20- 40 Vol.% des Volumens des Kühlkanals herausgestellt.
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Eine weitere zweckmäßige Lösung sieht vor, dass ein Verhältnis zwischen dem Volumen des ersten Kühlmittels und dem Volumen des zweiten Kühlmittels zwischen 2:1 und 1:3 beträgt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben,
- 2 eine perspektivische Teilschnittdarstellung durch den Kolben aus 1.
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Eine in den 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsform eines Kolbens 10 weist einen Kolbenkopf 12 und einen Kolbenschaft 14 auf. Der Kolbenkopf 12 weist einen Kolbenboden 15 auf, in welchem eine Brennraummulde 16 ausgebildet ist. Des Weiteren ist umlaufend eine Ringpartie 18 ausgebildet, in welche Kolbenringe eingesetzt werden können. Am Übergang zwischen der Ringpartie 18 und dem Kolbenboden 15 ist ein Feuersteg 20 ausgebildet. Des Weiteren weist der Kolbenkopf 12 einen geschlossenen umlaufenden Kühlkanal 22 auf, in welchem ein erstes Kühlmittel 24 und ein zweites Kühlmittel 26 angeordnet sind.
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Der Kolbenschaft 14 schließt sich in axialer Richtung an dem Kolbenkopf 12 an. Der Kolbenschaft 14 weist eine Nabe 28 mit zwei Nabenbohrungen 30 auf, in welchen ein Kolbenbolzen gelagert werden kann, um den Kolben 10 mit einem Pleuel des Verbrennungsmotors zu verbinden. Des Weiteren weist der Kolbenschaft 14 zwei Laufflächen 32 und 34 auf, welche jeweils einen Teilumfang einer Zylinderfläche abdecken. Die beiden Laufflächen 32 und 34 verbinden die beiden Naben 28.
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Der Kolben 10 weist mehrere im Wesentlichen axial verlaufende Bohrungen 36 auf, welche in den Kühlkanal 22 münden. Dadurch kann das Kühlmittel, das sich in dem Kühlkanal 22 befindet, aufgrund der Hubbewegung des Kolbens 10 in axialer Richtung einen größeren Weg zurücklegen, so dass der Wärmetransport in axialer Richtung verbessert ist.
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Des Weiteren ist eine Wand 38, welche den Kühlkanal 22 radial nach außen begrenzt und welche die Ringpartie 18 trägt, geneigt. Insbesondere ist die Wand 38 in der Nähe des Kolbenbodens 15 dicker als in einem Bereich, der näher zu dem Kolbenschaft 14 liegt. Dadurch wird erreicht, dass Kühlmittel, das sich am Kolbenboden 15 aufgeheizt hat, beim Weg nach unten nicht mit der Wand 38 in Kontakt kommt, wodurch verhindert wird, dass die Wand 38 und damit die Ringpartie 18 aufgeheizt wird. Lediglich wenn das Kühlmittel sich von unten nach oben, das heißt aus den Bohrungen 36 herausbewegt, kann es die Wand 38 berühren. Das Kühlmittel, das sich von unten nach oben aus den Bohrungen 36 herausbewegt, hat sich aber abgekühlt, so dass die Wand 38 und die Ringpartie 18 gekühlt werden können.
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Das erste Kühlmittel 24 weist ein Metall oder eine Metalllegierung auf, die einen Schmelzpunkt aufweist, der kleiner als 250°C, vorzugsweise kleiner als 200°C und besonders bevorzugt kleiner als 150°C ist. Wenn das Kühlmittel fest ist, trägt es nur wenig zur Kühlung bei. Wenn das erste Kühlmittel 24 dagegen flüssig ist, wird das Kühlmittel aufgrund der Hubbewegung des Kolbens 10 in axiale Richtung bewegt, so dass das Kühlmittel am Kolbenboden 15 Wärme vom Kolbenboden 15 aus aufnehmen kann und diese durch die Bewegung nach unten abtransportieren kann. Das erste Kühlmittel 24 kann dann die Wärme im Bereich der Bohrungen 36 an den Kolbenschaft 14 abgeben. Durch die konvektive Bewegung des ersten Kühlmittels 24 ist die Wärmeübertragung vom Kolbenboden 15 zu dem Kolbenschaft 14 stark erhöht. Da das erste Kühlmittel 24 Metall aufweist, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Wärmekapazität aufweist, ist die konvektive Wärmeübertragung sehr hoch.
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Es hat sich herausgestellt, dass bei Verwendung von ersten metallischen Kühlmitteln 24, die einen Schmelzpunkt von über 150°C aufweisen, die konvektive Kühlung zu spät einsetzt. Das heißt im Kaltstart kann es vorkommen, dass der zunächst nur geringfügig durch Wärmeleitung gekühlte Kolbenboden 15 bereits so stark erhitzt ist, dass dieser beschädigt wird, bevor das erste Kühlmittel 24 schmilzt und durch Konvektion zur Kühlung beitragen kann.
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Es gibt Metalle und Metalllegierungen die Schmelzpunkte aufweisen, die unter 100°C liegen. Allerdings haben diese Legierungen entweder das Problem, dass selbstentzündliche, giftige oder sehr teure Metalle enthalten sind. Daher sind die Kosten zur Herstellung eines solchen Kolbens erhöht. Die Verwendung von Metallen, die sich nicht selbst entzünden, ungiftig sind und einen akzeptablen Anschaffungspreis haben, würde die Kosten des Kolbens 10 reduzieren.
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In dem Kühlkanal 22 ist das zweite Kühlmittel 26 als Hilfskühlmittel angeordnet. Das zweite Kühlmittel 26 weist einen Schmelzpunkt von unter 40°, vorzugsweise unter 30° und besonders bevorzugt von unter 20°C auf. Das zweite Kühlmittel 26 ist dabei vorzugsweise nicht metallisch, so dass das zweite Kühlmittel 26 keine metallische Legierung mit dem ersten Kühlmittel 24 eingeht und somit nicht zusammen mit dem ersten Kühlmittel 24 erstarrt würde.
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Durch den geringeren Schmelzpunkt kann das zweite Kühlmittel 26 auch direkt nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu einer konvektiven Kühlung des Kolbenbodens 15 beitragen. Die Hauptaufgabe des zweiten Kühlmittels 26 ist allerdings dafür zu sorgen, dass das erste Kühlmittel 24 rechtzeitig schmilzt. Da das zweite Kühlmittel 26 bereits in der Anfangsphase flüssig ist, kann die Wärmeenergie vom Kolbenboden 15 zu dem ersten Kühlmittel 24 hin übertragen werden und dieses schnell genug aufheizen, so dass das erste Kühlmittel 24 für eine ausreichende Kühlung des Kolbens 10 sorgt.
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Geeignete Stoffe für das zweite Kühlmittel 26 sind beispielsweise Mischungen aus Biphenyl und Diphenylether, vorzugsweise eutektische Mischungen. Alternativ oder ergänzend hierzu können auch Silikonöle verwendet werden. Diese Verbindungen weisen eine ausreichende thermische Stabilität von mindestens 400°C auf.
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Um im Betrieb des Kolbens 10 einen möglichst geringen Gasdruck zu erhalten, kann entweder der Kühlkanal 22 evakuiert werden oder mit trockener Luft befüllt werden, um den Luftdruck abzusenken kann dem ersten Kühlmittel 24 als Legierungsbestandteil in geringer Menge Alkalimetalle, beispielsweise Natrium, Kalium und/oder Lithium hinzugefügt werden. Alkalimetalle reagieren mit dem Luftsauerstoff und das Lithium reagiert auch mit dem Luftstickstoff zu Lithiumnitrid, so dass sowohl der Sauerstoff als auch der Stickstoff in chemischer Form fest gebunden wird, so dass die Gasmenge im Kühlkanal 22 reduziert ist.
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Mögliche Metalle oder Metalllegierungen für das erste Kühlmittel 24 sind beispielsweise Zinn, Bismut und Silber. Beispielsweise weist eine eutektische Mischung aus Zinn und Bismut einen Schmelzpunkt von 138°C auf. Eine eutektische Mischung zwischen Zinn und Silber weist einen Schmelzpunkt von 221 °C auf.
