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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Kühlsystem für den Batteriepack und ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Batteriezelle wurde als saubere, effiziente und umweltverantwortliche Energiequelle für Elektrofahrzeug und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Eine Art von Batteriezelle ist als Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Die Lithiumionen-Batterie ist aufladbar und kann zu einer Vielzahl von Formen und Größen ausgebildet werden, um in Elektrofahrzeugen verfügbaren Raum effizient zu füllen. Die Batteriezelle kann zum Beispiel von prismatischer Form sein, um ein Stapeln der Batteriezellen zu erleichtern. In einem Batteriepack können mehrere einzelne Batteriezellen vorgesehen werden, um einen zum Betreiben von Elektrofahrzeugen ausreichenden Leistungsbetrag vorzusehen.
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Typische prismatische Batteriezellen weisen ein Paar von kunststoffbeschichteten Metallschichten auf, die um einen Umfang der Batteriezelle schmelzgeschweißt sind, um die Batteriezellenkomponenten abzudichten. Das Abdichten der Batteriezellen beginnt im Allgemeinen mit dem Ausstatten einer der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit einem Hohlraum, der manchmal als „Butterdosen“-Form bezeichnet wird. Die Batteriezellenkomponenten werden in dem Hohlraum der kunststoffbeschichteten Metallschicht angeordnet. Die andere der kunststoffbeschichteten Metallschichten wird dann oben auf die Batteriezellenkomponenten gesetzt und an dem Umfang an die eine der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit dem Hohlraum zum Beispiel durch Heißversiegeln um die Rändern schmelzgeschweißt. Dadurch wird die Batteriezelle für die Aufnahme in dem Batteriepack vorgesehen.
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Batteriezellen wie etwa Lithium-Ionen-Batteriezellen erzeugen bekanntermaßen während des Betriebs und infolge eines Ladezyklus beim Aufladen Wärme. Werden sie überhitzt oder anderweitig Umgebungen hoher Temperatur ausgesetzt, können unerwünschte Wirkungen den Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie beeinflussen. Bei Lithium-Ionen-Batterien werden typischerweise Kühlsysteme genutzt, um den unerwünschten Überhitzungsbedingungen entgegenzuwirken. Bekannte Kühlsysteme für Batteriezellen werden in der
US 2011 0 212 355 A1 für Essinger et al. und der
US 2012 0 021 270 A1 für Kumar et al., die von der Anmelderin gleichzeitig angemeldet wurden und deren gesamte Offenbarungen hierdurch durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind, beschrieben.
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Herkömmliche Kühlsysteme weisen Kühlplatten oder -rippen auf, die zwischen einzelnen Batteriezellen in dem Batteriepack sandwichartig eingeschlossen sind. Die Kühlrippen sind typischerweise durch „Warm“-Verfahren wie etwa Hartlöten oder Schweißen mit einer Wärmesenke verbunden. Verfahren für warmes Verbinden können unerwünschterweise die Materialmikrostruktur beeinflussen, was die Haltbarkeit der Verbindung beeinflussen kann. Bekannte Verbindungsverfahren erfordern typischerweise auch Füllstoff wie etwa Hartlote, Schweißzusatzwerkstoffe, abbindende Klebstoffe und Wärmeleitpasten, die unerwünschterweise die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen und die Komplexität der Herstellung erhöhen können.
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In der
US 2009/0186265 A1 ist ein Kühlsystem für einen Batteriezellenaufbau nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben.
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In der
DE 10 2008 061 277 A1 ist ein Energiespeicher beschrieben, der eine Flachzelle und eine Kühlvorrichtung aufweist, wobei die Kühlvorrichtung ein Kühlelement aufweist, das mit einer Seitenfläche der Flachzelle thermisch gekoppelt ist, um über diese Seitenfläche Wärme aus der Flachzelle abzuführen. Ferner weist die Kühlvorrichtung eine Kühlplatte auf, die mit einer Grundfläche der Flachzelle thermisch gekoppelt ist.
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Es besteht nach wie vor Bedarf nach einem Batteriekühlsystem und einem Verfahren zum Herstellen desselben, das eine Haltbarkeit an Verbindungsstellen des Batteriekühlsystems maximiert. Wünschenswerterweise erfordert das Batteriekühlsystem und -verfahren keine Füllstoffe, fördert eine Wärmeleitfähigkeit von benachbarten Batteriezellen und weist eine minimierte Herstellungskomplexität auf.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung wird überraschenderweise ein Batteriekühlsystem und ein Verfahren zum Herstellen desselben, das eine Haltbarkeit an Verbindungsstellen des Batteriekühlsystems maximiert, keine Füllstoffe erfordert, eine Wärmeleitfähigkeit von benachbarten Batteriezellen fördert und eine minimierte Herstellungskomplexität aufweist, entdeckt.
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In einer ersten Ausführungsform umfasst ein Kühlsystem für eine Batteriezelle mindestens eine Platte mit mindestens einer Feder und eine Wärmesenke mit mindestens einer darin ausgebildeten Nut. Die mindestens eine Feder der mindestens einen Platte ist in der mindestens einen Nut angeordnet. Die mindestens eine Platte und die Wärmesenke bilden eine Presspassungsverbindung, die die mindestens eine Platte an der Wärmesenke befestigt wobei die mindestens eine Nut bei Betriebstemperaturen der Batteriezelle einen Nennbreitenbereich aufweist, der bei Betriebstemperaturen der Batteriezelle kleiner als ein Nennbreitenbereich der mindestens einen Feder der mindestens einen Platte ist und, wobei die mindestens eine Platte eine erste Platte mit einer ersten Feder und eine zweite Platte mit einer zweiten Feder umfasst und die mindestens eine Nut der Wärmesenke eine erste Nut und eine zweite Nut umfasst, wobei die erste Feder der ersten Platte in der ersten Nut angeordnet ist und die zweite Feder der zweiten Platte in der zweiten Nut angeordnet ist, wobei die Wärmesenke eine Leitung umfasst, die ein Strömen eines Kühlfluids dadurch zulässt, wobei die erste Nut in der Wärmesenke an einer Seite der Leitung ausgebildet ist und die zweite Nut in der Wärmesenke an einer anderen Seite der Leitung ausgebildet ist.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für eine Batteriezelle die Schritte des Vorsehens mindestens einer Platte mit mindestens einer Feder und des Vorsehens einer Wärmesenke mit mindestens einer darin ausgebildeten Nut. Die Wärmesenke wird auf eine erste Temperatur erwärmt, die ausreicht, um die Wärmesenke thermisch auszudehnen und die mindestens eine Nut auszudehnen. Die mindestens eine Feder der mindestens einen Platte wird dann in die mindestens eine Nut eingesetzt. Die Wärmesenke wird dann auf eine zweite Temperatur gekühlt, die ausreicht, um die Wärmesenke thermisch zusammenziehen zu lassen und die mindestens eine Nut zusammenziehen zu lassen. Dadurch wird eine Presspassungsverbindung, die die mindestens eine Platte an der Wärmesenke befestigt, gebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für eine Batteriezelle die Schritte des Vorsehens mindestens einer Platte, die konfiguriert ist, um benachbart zu der Batteriezelle angeordnet zu werden und bei Betrieb Wärme von der Batteriezelle zu übertragen, und des Vorsehens einer Wärmesenke, die mindestens eine darin ausgebildete Nut aufweist. Die mindestens eine Platte weist mindestens ein Anschlussende auf. Die mindestens eine Nut weist bei Betriebstemperaturen der Batteriezelle einen Nennbreitenbereich auf, der bei Betriebstemperaturen der Batteriezelle kleiner als ein Nennbreitenbereich des Endes der mindestens einen Platte ist. Die Wärmesenke wird auf eine erste Temperatur erwärmt, die ausreicht, um die Wärmesenke thermisch auszudehnen und die mindestens eine Nut auf eine erste Breite auszudehnen, die bei Betriebstemperaturen der Batteriezelle größer als der Nennbreitenbereich ist. Das Anschlussende der mindestens einen Platte wird in die mindestens eine Nut eingesetzt. Die Wärmesenke wird auf eine zweite Temperatur gekühlt, die ausreicht, um die Wärmesenke thermisch zusammenziehen zu lassen und die mindestens eine Nut auf eine zweite Breite innerhalb des Nennbreitenbereichs bei Betriebstemperaturen der Batteriezelle zusammenziehen zu lassen. Dadurch wird eine Presspassungsverbindung, die die mindestens eine Platte an der Wärmesenke befestigt, gebildet.
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Figurenliste
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Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen für den Fachmann ohne weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die hierin beschriebenen Zeichnungen, hervor.
- 1 ist eine unvollständige perspektivische Ansicht eines Batteriezellen-Kühlsystems der vorliegenden Offenbarung, das ein Paar von Kühlplatten umfasst, die mit einer Wärmesenke gekoppelt sind;
- 2A-2C sind unvollständige Draufsichten im Querschnitt, die ein Verfahren zum Herstellen des in 1 gezeigten Batteriezellen-Kühlsystems veranschaulichen; und
- 3A-3C sind vergrößerte unvollständige Draufsichten im Querschnitt, die das Verfahren zum Herstellen des Batteriezellen-Kühlsystems veranschaulichen, das in 2A-2C durch die Bezeichnungen 3A, 3B bzw. 3C ausgewiesen ist.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen.
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Unter Bezugnahme auf 1, 2A-2C und 3A-3C ist ein Kühlsystem 100 für eine Batteriezelle 102 gezeigt. Die Batteriezelle 102 ist konfiguriert, um Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion zu erzeugen. Die gezeigte Batteriezelle 102 ist eine prismatische Batteriezelle. Als Beispiel kann die Batteriezelle 102 eine prismatische Lithium-Ionen(Li-Ionen)-Folienzelle sein. Es versteht sich, dass andere Arten der Batteriezellen 102, die eine andere Struktur und Elektrochemie nutzen, ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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Das Kühlsystem 100 umfasst ein Paar von Kühlplatten 104, 106, die jeweils mindestens eine daran ausgebildete Feder 108, 110 aufweisen. Die Platten 104, 106 sind konfiguriert, um benachbart zu der Batteriezelle 102 angeordnet zu werden. Nach Bedarf können mehr Platten verwendet werden. Die Platten 104, 106 dienen als Kühlrippe des Kühlsystems 100 und übertragen während des Betriebs der Batteriezelle 102 Wärme von derselben. Die Platten 104, 106 können aus einem beliebigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die zum Leiten von Wärme weg von der Batteriezelle 102 geeignet ist, gebildet sein. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Platten 104, 106 aus Aluminium oder Stahl gebildet sein. Wärmeleitende Verbundmaterialien können ebenfalls genutzt werden, um die Platten 104, 106 zu bilden. Ein Durchschnittsfachmann kann nach Bedarf andere geeignete wärmeleitende Materialien für die Platten 104, 106 wählen.
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Das Kühlsystem 100 umfasst auch eine Wärmesenke 112, die ein Paar von darin ausgebildeten Nuten 114, 116 aufweist. Nach Bedarf können mehr Nute enthalten sein. Die Nute 114, 116 nehmen mindestens eine Feder 108, 110 der Platten 104, 106 auf. Die Wärmesenke 112 ist auch konfiguriert, um während des Betriebs der Batteriezelle 102 Wärme weg von derselben zu leiten. Wie bei den Platten 104, 106 kann die Wärmesenke 112 aus einem beliebigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die zum Leiten von Wärme weg von der Batteriezelle 102 geeignet ist, gebildet sein. Die Wärmesenke 112 ist auch aus einem Material gebildet, das beruhend auf einem vorbestimmten Temperaturbereich der Wärmesenke 112 wünschenswerte Wärmeausdehnungs- und Wärmezusammenzieheigenschaften aufweist. Zum Beispiel kann die Wärmesenke 112 ein stranggepresster Metallfuß sein, der aus Aluminium oder Stahl gebildet ist. Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung können auch andere geeignete wärmeleitende Materialien für die Wärmesenke 112, die ein ausreichendes Wärmeausdehnen und -zusammenziehen mit Temperatur aufweisen, gewählt werden.
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Die mindestens eine Feder 108, 110 der Platten 104, 106 bildet mit den Nuten 114, 116 eine Presspassungsverbindung, die auch als „feste Presspassungsverbindung“ bekannt ist. Die Presspassungsverbindung der mindestens einen Feder 108, 110 der Platten 104, 106 und der Wärmesenke 112 ist im Wesentlichen frei von einem Füllstoff wie etwa Hartloten, Schweißzusatzwerkstoffen, abbindenden Klebstoffen und Wärmeleitpasten, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Es versteht sich, dass die bekannten Füllstoffe ansonsten die Wärmeleitfähigkeit an der Presspassungsverbindung beeinflussen würden. Durch die Presspassungsverbindung wird während des Betriebs der Batteriezelle 102 eine effiziente Übertragung von Wärme von den Platten 104, 106 zu der Wärmesenke 112 vorgesehen.
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In bestimmten Beispielen ist die mindestens eine Feder 108, 110 ein Anschlussende der Platten 104, 106. Das Anschlussende der Platten 104, 106 kann so geformt sein, dass es die sichere Verbindung zwischen den Platten 104, 106 und der Wärmesenke 112 erleichtert. Zum Beispiel können eine Randfläche der mindestens einen Feder 108, 110 und die Nute 114, 116 abwechselnde und entgegengesetzte Höhen und Tiefen (nicht gezeigt) aufweisen, um eine Zungen- und Nutverbindung der Platten 104, 106 und der Wärmesenke 112 vorzusehen. Seitenflächen der mindestens einen Feder 108, 110 und der Nute 114, 116, die in 1, 2A-2C und 3A-3C eben gezeigt sind, können alternativ mindestens eines von abgeschrägt oder strukturiert sein, um eine auf Reibung basierende Verbindung zwischen der mindestens einen Feder 108, 110 und der Wärmesenke 112 weiter zu verbessern. Ein Fachmann kann geeignete Formen, Oberflächenstrukturierungen und Maße der mindestens einen Feder 108, 110 und der Nute 114, 116 nach Bedarf wählen.
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In einer besonderen Ausführungsform umfassen die Platten 104, 106 eine erste Platte 104 mit einer ersten Feder 108 und eine zweite Platte 106 mit einer zweiten Feder 110. Die Nute 114, 116 der Wärmesenke 112 umfassen ebenfalls einen ersten Nut 114 und einen zweiten Nut 116. Die erste Feder 108 der ersten Platte 104 ist in der ersten Nut 114 angeordnet. Die zweite Feder 110 der zweiten Platte 106 ist in der zweiten Nut 116 angeordnet. Weiterhin umfasst die Wärmesenke 112 eine Leitung 118, die während des Betriebs des Kühlsystems 100 ein Kühlfluid dadurch strömen lässt. Die erste Nut 114 ist an einer Seite der Leitung 118 in der Wärmesenke 112 ausgebildet und die zweite Nut 116 ist an einer anderen Seite der Leitung 118 in der Wärmesenke 112 ausgebildet.
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Wie in 2A-2B und 3A-3B gezeigt umfasst die vorliegende Offenbarung ein Wärmeschrumpfverfahren zum Herstellen des Kühlsystems 100. Bei dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung wird die mindestens eine Feder 108, 110 der Platten 104, 106 in die Nute 114, 116 eingesetzt oder anderweitig in diesen angeordnet, während die Nute 114, 116 durch ein Wärmeausdehnen der Wärmesenke 112, in der die Nute 114, 116 gebildet sind, ausgedehnt werden. Die Nute 114, 116 weisen bei Betriebstemperaturen der Batteriezelle 102 einen Nennbreitenbereich (WSN) auf, der bei den Betriebstemperaturen der Batteriezelle 102 kleiner als ein Nennbreitenbereich (WKN) der mindestens einen Feder 108, 110 ist. Die Wärmesenke 112 wird über die Betriebstemperaturen der Batteriezelle 102 erwärmt, um eine Breite der Nute 114, 116 auf einen Punkt zu vergrößern, bei dem die mindestens eine Feder 108, 110 eingesetzt werden kann. Zwischen der mindestens einen Feder 108, 110 und den Nuten 114, 116 kann zum Beispiel ein Spalt 120 vorhanden sein, während die Nute 114, 116 ausgedehnt werden.
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Bei einem Kühlen der Wärmesenke 112 und einem thermischen Zusammenziehen der Wärmesenke 112 und dem sich ergebenden Zusammenziehen der darin ausgebildeten Nute 114, 116 wird die Presspassungsverbindung, die die Platten 104, 106 an der Wärmesenke 112 befestigt, gebildet. Die Presspassungsverbindung sieht bei allen Betriebstemperaturen der Batteriezelle 102 eine feste Fügeverbindung der Platten 104, 106 und der Wärmesenke 112 vor.
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Zur Veranschaulichung umfasst das Verfahren zum Herstellen des Kühlsystems 100 für die Batteriezelle 102 zunächst die Schritte des Vorsehens der Platten 104, 106, die die mindestens eine Feder 108, 110 aufweisen, und des Vorsehens der Wärmesenke 112, die die darin ausgebildeten Nute 114, 116 aufweist. Die Wärmesenke 112 wird dann auf eine erste Temperatur (T1) erwärmt, die ausreicht, um die Wärmesenke 112 thermisch auszudehnen, was zu einem Ausdehnen der Nute 114, 116 führt. Die erste Temperatur (T1) reicht aus, um die Nute 114, 116 auf eine erste Breite (W1) auszudehnen, die bei Betriebstemperaturen der Batteriezelle 102 größer als der Nennbreitenbereich (WSN) ist. Als nicht einschränkendes Beispiel ist die erste Temperatur (T1) höher als etwa 100°C. Die mindestens eine Feder 108, 110 der Platten 104, 106 wird dann in die jeweilige Nut 114, 116 eingesetzt. Die Wärmesenke 112 wird anschließend auf eine zweite Temperatur (T2) gekühlt, die ausreicht, um die Wärmesenke 112 thermisch zusammenzuziehen, was zu einem Zusammenziehen der Nute 114, 116 führt, um die Presspassungsverbindung zu bilden, die die Platten 104, 106 an der Wärmesenke 112 befestigt. Die zweite Temperatur (T2) reicht aus, um die Nute 114, 116 bei den Betriebstemperaturen der Batteriezelle 102 auf eine zweite Breite (W2) innerhalb des Nennbreitenbereichs (WSN) zusammenzuziehen. Als nicht einschränkendes Beispiel liegt die zweite Temperatur (T2) bei etwa 20°C. Ein Fachmann sollte verstehen, dass die Wärmesenke 112 auf andere geeignete Temperaturen erwärmt und gekühlt werden kann, um die Wärmesenke 112 nach Bedarf effektiv einer Wärmeschrumpfung zu unterziehen und die Presspassungsverbindung mit den Platten 104, 106 zu bilden.
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Wenn die Platten 104, 106 die erste Platte 104 und die zweite Platte 106 umfassen, kann das Verfahren die Schritte des Anordnens der ersten Feder 108 der ersten Platte 104 in der ersten Nut 114 und des Anordnens der zweiten Feder 110 der zweiten Platte 106 in der zweiten Nut 116 umfassen. Die erste Platte 104 und die zweite Platte 106 können nacheinander oder gleichzeitig eingesetzt werden. Das Wärmeschrumpfen der Wärmesenke 112, um die Presspassungsverbindung mit der ersten Platte 104 und der zweiten Platte 106 zu bilden, kann nach Bedarf ebenfalls nacheinander oder gleichzeitig ausgeführt werden.
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Nach dem Herstellen des Kühlsystems 100 können die Platten 104, 106 benachbart zu der Batteriezelle 102 angeordnet werden. Zum Beispiel können die Platten 104, 106 an der Batteriezelle 102 anliegen und dadurch bei Betrieb Wärme von der Batteriezelle 102 übertragen. Es versteht sich, dass mehrere der Platten 104, 106 zwischen mehreren der Batteriezellen 102 genutzt werden können, die in einem Stapel angeordnet sind und einen Batteriepack bilden, der für den Betrieb eines Elektrofahrzeugs geeignet ist.
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Vorteilhafterweise sehen das vorliegenden Kühlsystem 100 und Wärmeschrumpfverfahren zum Herstellen des Kühlsystems 100 bestimmte Herstellungs- und Leistungsvorteile vor. Die Herstellungsvorteile können eine minimierte Anzahl an Herstellungsschritten aufgrund eines Verzichts auf herkömmliche warmer Verbindungsverfahren wie etwa Hartlöten und Schweißen und zugehörige Füllstoffe umfassen. Ein Leistungsvorteil ist ein minimiertes Systemgewicht aufgrund des Fehlens von zugehörigen Füllstoffen wie etwa Lot- oder Hartlotmaterialien und Klebstoffen. Eine Haltbarkeit der die Platten 104, 106 und die Wärmesenke 112 bildenden Materialien, die durch eine Wärmeentwicklung derselben beeinflusst werden kann, wird weiterhin durch Vermeiden der Verwendung von Hartlöt- und Schweißprozessen maximiert. Die erwünschte Wärmeleitfähigkeit der Platten 104, 106 gegenüber der Wärmesenke 112 wird durch das Wärmeschrumpf-Herstellungsverfahren und die sich ergebende Presspassungsverbindung der vorliegenden Offenbarung ebenfalls überraschenderweise vorgesehen.
