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" PERFECTIONNEMENTS AUX PROCEDES ET AUX APPAREILS POUR FABRIQUER DES ARTICLES EN
MATIERES VITREUSE- "
La présente invention vise des perfectionnements aux procédés et aux appareils pour fabriquer des articles en matière vitreuse fondue- Elle concerne, notamment la fabrication de masses homogènes de matière vitreuse, ou autre matière réfractaire,agglomérée à la température de fusion de la matière dont les particules sont réunies par agglomération et par adjonction progressive, pour produire des articles et produits homogènes-
L'invention sera décrite principalement dans son application à la fabrication d'articles en silice vitreuse- On a déjà fabriqué des articles en silice vitreuse, par exemple par fusion,
suivie de réunion ou d'agglomération
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de particules de silice! mais dans les procédés connus, la vitesse de fabrica- tion s'est toujours trouvée limitée. Dans un procédé proposé, les particules de silice sont projetées à travers une flamme oxyhydrogène dans laquelle les gaz composants sont mélangés intimement de telle façon que les particules projetées soient fondues par la flamme, à l'endroit où. la flamme est en'contact avec une masse de silice* Une fondation de silice fondue de qualtté inférieure, qui n'est pas nécessairement dépourvue de bulles, peut être ainsi revêtue d'une couche de silice vitreuse, homogène et de qualité supérieure qui est à peu près dépourvue de bulles* Ce procédé est applicable notamment à la fabrication des miroirs as- tronomiques.
Comme résultat de la présente invention qui constitue ,notam- ment, une amélioration des procédés déjà proposés, le rendement et la vitesse du dépôt de la silice par le procédé de projection de silice finement divisée sur une surface chauffée, ont été notablement accrue, et la qualité du produit fabri- qué a été améliorée de manière sensible- La quantité de silice fondue à l'état massif ainsi fabriquée avec une quantité de gaz déterminée, peut 'être dans les conditions les plus favorables augmentée jusqu'au centuple, grâce aux moyens ob- jet de la présente invention-
L'accroissement considérable du rendement de ce procédé, qui sera désigné en abrégé par procédé "pulvérisation-agglomération", résulte de la coopération d'un certain nombre de particularités nouvelles,
dont les principa- les sont les suivantes a) on fait appel, pour constituer la source de chaleur, à une flamme formée par un faisceau de jets fi@@ de gaz combustible et de gaz comburant entre- mêlés qui sont dirigés à peu près parallèlement les uns avec les autres; b) des moyens appropriés permettent le réglage séparé de la vitesse des gaz en cours de combustion et de la vitesse d'amenée de la silice en petites parcelles dans la zone de fusion, pour produire l'effet optimum; c) les gaz en cours de combustion sont rabattus et confinés par des réflecteurs de chaleur convenablement espacés et placés dans le voisinage de la zone de fusion;
d) des moyens de distribution et de répartition sont prévus grâce aux- quels la silice réduite en petites parcelles est projetée et pulvérisée dans tou- te la zone de fusion*
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En ce qui concerne plus particulièrement son application à la fabrication d'articles en silice, tels que les miroirs astronomiques, par exem- ple, l'invention est destinée à permettre la fabrication d'articles du genre visé avec un poids plus faible, une homogénéité accrue et un prix de revient abaissé.
Les miroirs pour télescopes astronomiques de grandes dimensions étaient fabriqués jusqu'ici par application, sur une plaque relativement épaisse de silice opaque brute, d'une couche superficielle mince de silice claire de qua- lité supérieure qui reçoit une configuration désirée et est munie d'une surface argentée et réflectrice de la lumière* La fabrication d'une telle plaque présente des difficultés accrues lorsque les dimensions de l'article augmentent; ces pla- ques sont fabriquées par chauffage d'une silice de qualité appropriée à l'état finement divisé, par exemple du sable ou de la silice moulue, dans un four à la température de fusion de la silice, en vue de déterminer la consolidation ou l'ag- fglomération des particules de silice.
Lorsque le diamètre de l'article désiré dépasse un ou plusieurs mètres, la fabrication devient très pénible et coûteuse, en raison de la nécessi- té de prévoir des moules réfractaires appropriés pour contenir la silice finement divisée au cours de la fusion, de la nécessité de prévoit des fours suffisamment grands pour chauffer la masse entière à la température élevée nécessaire, et d'as- surer la fourniture de l'énergie électrique relativement importante qui est néces- saire pour un tel four* En fait, il existe des limites pratiques au-delà desquel- les, pour des raisons économiques, les dimensions de tels articles ne peuvent pas être augmentées-
L'invention permet de fabriquer des articles en silice de poids moindre, pouvant être utilisés dans la construction de miroirs astronomiques de grandes dimensions,
sans nécessiter l'emploi de moules coûteux, de fours de gran- des dimensions et d'une consommation élevée d'énergie électrique.
Conformément à l'invention, des plaques ou des articles similaire sont fabriqués, par fusion localisée de fragments de silice préalablement fondue affectant une forme telle qu'il se forme de nombreuses cavités de dimensions ap- préciables entre les fragments assemblés. La chaleur nécessaire pour souder les points de contact de tels fragments est appliquée localement, et de préférence au moyen d'une flamme de gaz à température élevée qui est réglée pour agir sur la masse de fragments assemblés et est avancée, depuis une région vers une autre,
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aussi rapidement que la soudure des fragments les uns vers les autres, sa pour- suit* Les fragments demeurent à l'état no@ fondu comme un ensemble, et sont reliés les uns avec les autres seulement dans des régions isolées de contact.
Les vides ou espaces entourés par les fragments constituent une fraction notable du valume total de l'ensemble*
Sur l'article cellulaire ainsi produit peut être appliquée une couche de silice homogène de haute qualité, par exemple par pulvérisation ou pro- jection de silice pulvérulente, au moyen d'une flamme ou de toute autre manière appropriée-
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple, et dans lesquels :
La Fig.1 représente en élévation, avec parties en coupe, un brûleur, un appareil d'alimentation et un four montrant une ébauche de miroir as- tronomique dont la surface est munie d'une couche de silice vitreuse claire, sui- vant l'invention*
La Fig.2 est une élévation de détail avec parties en coupe, d'un groupe de trois brûleurs munis de moyens réfrigérateurs à fluide*
La Fig-3 est une élévation latérale, avec parties en coupa, d'un appareil d'alimentation grâce auquel la silice en petites parcelles, ou ma- tières analogues, est amenée aux brûleurs*
La Fig-4 est une coupe longitudinale d'un brûleur agencé pour la réalisation de l'invention*
Les Fig-5 et 6 sont des coupes partielles de brûleurs,
montrant particulièremtn deux formes de pulvérisateurs ou distributeurs pour la silice en petites parcelles, ou analogues*
La Fig.7 représente en élévation latérale, l'opération initiale de fabrication d'une plaque ou d'un disque, en partant de fragments de silice-
La Fig.8 représente, aussi en élévation latérale, le dépôt d'une couche claire et homogène de silice-
La Fig.9 représente en élévation latérale, un article terminé*
Les Fig.
10 et 11 enfin, sont des vues de détail partielles re- latives à des variantes*
L'appareil de la Figure 1 comprapd un coffret métallique circu-
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laire en tôle 7 entourant et enveloppant une structure intérieure 8 constituée par des briques réfractaires, ou autre matière analogue appropriée, sur laquelle repose une ébauche de miroir 9 constituée par de la silice fondue contenant plus ou moins de bulles, (formée par exemple par agglomération de sable dans un four électrique), et sur laquelle peut 'être appliqué un revêtement de silice vitreuse de haute qua- lité, claire et transparente. La structure 8 constitue à la fois un support et une enveloppe calorifuge pour l'ébauche de miroir qui doit 'être chauffée au cours du travail à sa surface supérieure, à une température d'environ 800 à 10000 C.
Au-dessus de l'ébauche est placé un brûleur multiple 10 entouré d'un écran protecteur 11 en matière très réfractaire, qui sert à conserver et con- centrer la chaleur développée par la flamme fournie par le brûleur multiple 10.
Cet écran protecteur 11, qui peut être constitué par des dalles ou plaques de si- lice fondue, est maintenu par des supports 12 confectionnés aussi en silice vitre se, qui sont assemblés par fusion sur le bord de l'écran 12 et sont maintenus par des fils 13 reliés aux barres transversales 14 d'une structure de support appro- priée-
Dans la forme de réalisation représentée, à titre d'exemple sur la Fig.2, le brûleur 10 comprend un groupe de trois brûleurs 15, 16 et 17 muni d' un coffret 18, l'espace compris entre les brûleurs et le coffret étant alimenté en eau ou un autre fluide réfrigérant, par des tuyaux 19 et 20- Comme représenté par la Fig.4,
chacun des brûleurs comprend un bâti 22 dans lequel est fixé un groupe de tubes 23 alimentés en gaz combustible par un raccord tronconique 24 attaché au conduit d'alimentation 25- Autour des tubes 23 sont prévus des espaces par lesquels est amené un gaz comburant arrivant par le tube d'amenée 26.D
De préférence, on utilise l'hydrogène et l'oxygène respectivement comme gaz combustible et gaz comburant- Au lieu de l'hydrogène, on peut utiliser de l'ammoniaque dissociée ou encore un mélange d'hydrogène et d'oxyde de carbone résultant de la réaction d'un gaz hydrocarbure et de la vapeur d'eau dans un four électrique et connu dans l'industrie sous le nom d'"électrolène".
Il n'est pas nécessaire que l'hydrogène (en employant le terme dans un sens général comme exemple typique de gaz combustible) soit amené par les tubes 23, et l'oxygène par les espaces entourant les tubes! en effet, on peut aus- si faire appel à un arragement inverse;
mais, dans tous les cas, les conduits four. nissant l'hydrogène doivent avoir une section transversale telle, par rapport aux conduits amenant l'oxygène, que ces gaz soient amenés dans le rapport de deux
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volumes d'hydrogène pour 'on volume d'oxygène, de sorte qu'on obtienne une combus- tion à peu près complète, indépendamment de l'oxygène atmosphérique-
Grâce aux dispositions précédantes, on obtient une flamme tran- quille et extrêmement chaude dans laquelle plusieurs jets de gaz combustible sont mélangés entre eux de manière intime avec plusieurs jets du gaz comburant, les deux groupes de jets circulant à peu près dans la même direction sans aucun effet retardateur l'un sur l'autre, Dans ces conditions,
on peut obtenir une flamme ayant l'effet de chauffage maximum, et réparti à peu près uniformément sur toute sa surface utile Les jets relativement fins de gaz entremêlés ont une grande surface de contact les uns avec les autres, et la combustion des gaz se produit au contact des deux groupes de jets*
Une tâche chaude, à température à peu près uniforme, eat produite par le choc des jets sur la plaque de silice 9, et en conséquence un effet de fu- sion maximum est produit sur la silice finement divisée qui est amenée à la flam- me de la manière qui va être décrite maintenant.
En d'autres termes, la mélange intime de jets finement divisés de gaz, par exemple de l'hydrogène et de l'oxy- gène, produit à peu près l'effet de la combustion dans un mélange uniforme d'hy- drogène et d'oxygène dans un rapport correspondant à l'équation de combustion*
L'effet de chauffage d'une telle flamme, qui peut être rendu aussi grand qu'on le désire par un simple accroissement du nombre des orifices amenant le gaz, est encore renforcé par l'effet protecteur des plaques-écrans 11 qui réduisent notablement le mélange avec la flamme des gaz relativement plus froids, qui entourent la flamme, et aussi par la réflexion de chaleur rayonnée.
On a constaté que, aussi bien dans le cas d'un brûleur unique que dans le cas de brûleurs multiples, quelles que soient leurs positions géométriques relatives, la disposition, autour du ou des brûleurs, d'un écran tel que la plaque-écran 11, augmente sensiblement la température de la tache ou des taches chaudes produites par le ou les brûleurs, en chassant ou écartant de la flamme l'air froid venant de l'extérieur*
Le rôle de l'écran est de rabattre la gaz fourni aux brûleurs et de le confiner dans une aire aussi faible que possible- Cela permet d'accélérer le chauffage de la pièce en cours de travail, qui est réalisé à la vitesse la plus élevée possible pour un jet de gaz déterminé! la vitesse à laquelle la si- lice peut être déposée, tout en même temps demeurant dépourvue de bulles,,
est
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ainsi accrue- Cette vitesse est limitée seulement à sa limite inférieure par la circonstance que l'énergie calorifique nécessaire pour fondre la silice, n'est plus amenée aux brûleurs* Aussi bien si les brûleurs sont disposés en triangle ou en ligne, l'essentiel est de confiner les gaz à une aire beaucoup plus petite qu'il ne serait le cas si aucun écran ou protecteur n'étalt prévu.
En ce qui con cerne l'espacement relatif des brûleurs,il convient d'assurer, aussi exactement que possible, une tache chaude continue produite par l'ensemble des brûleurs l'm par rapport à l'autre, de sorte qu'il n'y ait pratiquement pas d'introduction d'éléments plus froids dans la flamme*
Les tubes d'amenée de gaz 25-26 sont maintenus , par un support 27, au-dessus des brûleurs avec les conduits fournissant du gaz combustible et du gaz comburant pour les brûleurs respectifs- Les tubes 28,29 et 30 amènent de la silice finement divisée, du verre finement divisé ou d'autres matières qui, sous l'effet de la combustion à haute température, produisent la matière vitreuse désirée, en vue de la fabrication visée par dépôt et agglomération.
Ces tubes 28, 29 et 30 communiquent avec des réservoirs 31, 32 et 33 contenant les charges des matières désirées.
La Fig. 3 représente un réservoir et un dispositif d'alimentation agencés respectivement pour contenir et amener la matière finement divisée qui doit être déposée- Comme représenté sur cette figure, le dispositif d'alimenta- tion ou d'amenée comprend un récipient 34 contenant une charge 35 qui, dans le cas particulier de la fabrication d'une ébauche de miroir en silice, est consti- tuée par de la silice en poudre- Cette matière peut être pratiquement et avanta- geusement obtenue par chauffage au rouge de quartz cristallin et de pureté dési- rée, suivi d'une trempe du quartz dans l'eau,
ce qui fournit un produit friable qui peut être facilement moulu à la finesse désirée-
On fait par exemple appel à du quartz en petites parcelles pou- vant traverser un tamis de 200 trous par pouce carré mais de préférence on ex- -clut la matière très fine ou la poussière, et la matière moulue peut être dé- -barrassée de la poussière par décantation dans l'eau- Pour certaines applica- tions, la matière, qui est si fine qu'elle peut passer seulement à travers un tamis de 600 trous par pouce carré, doit être rejetée, mais aucune règle géné- rale ne peut être donnée, du fait que, même de la matière très fine peut être utilisée dans ce @@ains cas-
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la matière finement divisée, lorsqu'elle est complètement séchée,
est amenée au récipient 34 par une trémie 36 Elle est amenée par un conduit 37 qui, dans le dispositif représenté, est de préférence constitué par les conduits d'amenée d'hydrogène aux brûleurs* Dans le tuyau dérivé 38 se dirigeant vers le conduit 37 , est insérée une valve à pointeau 39 communiquant avec le fond du récipient 34. Un courant de matière allant dans la flamme est réglé de manière continue au moyen d'un pointeau 40 à mouvement alternatif, qui est maintenu en vibration permanente par un électro 41.
Le pointeau 40 est relié à l'armature 42 de l'électro, au moyen d'un joug 43 qui est attaché au récipient 34 au moyen d'un diaphragme à soufflet 44. L'extrémité supérieure du pointeau 40 est renforcée par une pièce 45 de dia- mètre plus grand, pour coulisser dans le manchon de guidage 46 supporté par les montants de support 47 fixés à la base de la boite d'alimentation- L'électro 41 est alimenté en courant alternatif de fréquence appropriée, grâce à quoi sor armature 42 est maintenue en vibration constante, ce qui a pour effet d'agiter la matière finement divisée à la sortie de la valve, et d'empêcher ainsi toute oba- truction de l'ouverture*
Un électro vibrant supplémentaire 48 est attaché, par une plaque 49, au récipient 34, en vue de maintenir une agitation générale de la matière dans le récipient 34,
et de faciliter ainsi la circulation ininterrompue de la matière vers le brûleur* L'égalisation de la pression de gaz entre le conduit 37 et l'espace au-dessus de la charge 35 se produit par un tube fin 50.
La vitesse d'amenée de la matière finement divisée doit être choisie, par rapport au volume èt à la vitesse dos courants de gaz, de manière que la fusion des particules se produise au contact de la flamme avec la surface à laquelle se produit l'agglomération des particules dans la matière en fusion- La forme tronconique du raccord 24 entre le conduit 25 et le faisceau de con- duits dans le brûleur, détermine la distribution de la matière finement divisée dans le brûleur* La distribution de cette matière peut être encore facilitée par un déflecteur conique représenta en 51 sur la Fig.6.
Dans certains cas, notam- ment lorsqu'il n'est pas pratique de faire appel à un raccord tronconique rela- tivement long pour le brûleur, on peut utiliser un distributeur du type représen- té Fig.5, comprenant une plaque 52 munie de perforations, comme indiqué, et à travers laquelle la silice finement divisée ou analogue se dirige vers les tu- bes de brûleur*
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Dans la fabrication d'un miroir de quartz (auquel cas on désire produire une couche à peu près uniforme de silice fondue sur une base de support comme représenté Fig.1), on imprime au brûleur multiple un mouvement alternatif sur la surface de l'ébauche du miroir- Les trois éléments du brûleur multiple 10 sont disposés en triangle- Lorsque le brûleur se déplace en direction rectiligne à travers l'ébauche de miroir, la flamme du brûleur,
qui rencontre d'abord la surface de support, chauffe une partie de l'ébauche et dépose une masse de ma- tière pulvérisée, qui est déposée et agglomérée sur sa surface, l'aire environ- nante de l'ébauche recevant la chaleur rayonnée de ce brûleur et étant maintenue à la température de solidification de la silice fondue* Lorsque l'ensemble des brûleurs se déplace vers l'avant par exemple, c'est-à-dire vers l'observateur sur la Fig.l, les deux brûleurs postérieurs additionnent leurs dépôts de matière pulvérisée et fondue au revêtement, en coopérant ainsi à la constitution du re- vêtement fondu de matière déposée-
On peut aussi faire appel à des variantes de réalisation des brûleurs multiples:
par exemple, trois brûleurs peuvent être disposés en ligne l'un avec l'autre pour augmenter la largeur de la couche déposée. Dans certains cas, les coffrets 7 et 8, qui servent à maintenir l'ébauche 9 à une température plus uniforme, peuvent être supprimés* Si l'on désire former par opération ai- dessus, une masse ou un lingot de silice vitreuse claire, ou de matière réfrac- taire similaire, dans ce cas, le brûleur multiple peut être déplacé lentement vers le haut, au fur et à mesure que se poursuit le dépôt de la silice, en for- mant ainsi éventuellement une barre qui peut être ensuite taillée en articles de forme désirée, par des procédés connus* Dans la fabrication de tels articles il n'est pas aussi important de prévoir les coffrets 7 et 8.
Les Fig- 7 à 11 exposent le mécanisme de l'agglomération par dé- pôt réalisé par le dispositif décrit plus haut- Les fragments angulaires 61 de silice préalablement fondue, de dimensions relativement grandes, par exemple de 2 à 5 cm. de diamètre ou environ, sont assemblés comme indiqué Fig-7, en laissant des espaces relativement grands entre les fragments assemblés- Ces fragments peuvent être constitués par de la silice claire, translucide ou opaque, suivant les cas- Une épaisseur de deux ou trois couches peut être constituée, comme re- présenté* Une flamme du brûleur appropriée 63 produit une fusion ou un ramollis- sement des fragments de silice sur leurs arêtes, sans fusion des fragments dans l'ensemble- Dans ces conditions,
la masse entière des fragments est progressive-
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ment soudée, sans suppression des espaces entre les fragments* Ces espaces, plus grands que les bulles parfois trouvées dans la silice fondue différent de ces dernières, du fait qu'ils ne sont pas sphériques et possédant des parois constituées partiellement au moins par des surfaces angulaires-
Des couches supplémentaires sont appliquées sur la base ainsi produite, jusqu'à se qu'une plaque ou un disque de la dimension requise soit fa- brique* Après fabrication d'une plaque de configuration requise, celle-ci peut être taillée par découpage ou meulage des fragments saillants,
et de la silice finement divisée est ensuite déposée sur sa surface comme indiqué plus haut- Etant donné que la couche de doublure constituée par les fragments 61 et la cou- che terminale 64 sont l'une et l'autre fabriquées de la même matière, elles pos- sèdent le même coefficient de dilatation et grâce à cette propriété, elles de- meurent réunies après refroidissement, depuis la température de fabrication jus- qu'à la température ambiante-
La couche superficielle de quartz clair et homogène, peut être confectionnée de manière à recevoir l'épaisseur requise,
par un déplacement tram versal répété de la flamme et la prolongation des opérations de pulvérisation et d'incorporation par fusion de la poudre de silice*
Dans la Fig.9 est représenté un article dans lequel la couche 64 de silice homogène et claire a été confectionnée avec une épaisseur relativement grande, par le dépôt répété de silice à travers une flamme, de la manière précé- -demment décrite-
Bien que les fragments employés dans les structures représentées Fig.7 à 9 soient de configuration irrégulière, ils peuvent également avoir une forme géométrique régulière comme représenté Fig.10.
Les fragments de silice 65 sont de forme pyramidale et sont assemblés les uns aux autres par leurs bords, en laissant des espaces 62 dont les dimensions sont du même ordre que les frag- ments eux-mêmes* Des éléments ou fragments de diverses autres formes géométri- ques, comprenant des corps creux, peuvent âtre assemblés entre eux- La Fig.11, par exemple, représente des tubes 66 de silice reliés entre eux, de façon à cons- tituer une structure solide contenant des cavités relativement grandes-
Les avantages de l'invention reposent non seulement sur son poids plus faible de la structure terminée et son prix plus bas, mais aussi sur la @ facilité avec laquelle une pureté chimique plus grande est conservée dans la si-
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lice- En effet,
lorsque du sable est employé comme matière brute pour une pla- que de doublure, on ne peut pas espérer une pureté chimique élevée- D'autre part, lorsque du quartz cristallin de pureté plus grande que celle du sable est employé, il peut être moulu dans des dispositifs de moulure métalliques et les particules de métal arraché sont mélangées à la poudre de silice résultante- Il est très difficile de retirer ce métal fin distribué dans la poudre de quartz fine*
Des impuretés dans la silice pulvérulente sont susceptibles d'en- traîner des inégalités dans la dilatation thermique et des craquelures de l'ar- ticle terminé- Au contraire, lorsqu'on fabrique des pièces de dimensions rela- tivement grandes, conformément à l'invention,
on parvient facilement à mainte- nir la pureté élevée de la silice et à éviter les craquelures-
L'invention peut être mieux appréciée par considération de ses avantages en ce qui concerne la fabrication des miroirs astronomiques de gran- des dimensions- Pour la constitution d'une couche déterminée de silice de haute qualité sur une ébauche de miroir déterminé, la quantité de gaz nécessaire par les procédés et appareils connus atteindrait environ 1.200.000 mètres cubes, et nécessiterait un gazomètre ayant un diamètre de 30 m.
et une hauteur de 1600 mè- tres- Au contraire, grâce à l'invention, la quantité de gaz nécessaire est ré- duite à environ 15.000 mètres cubes , et peut être emmagasinée dans un gazomètre possédant le même diamètre avec une hauteur de 20 m- seulement-
L'avantage inhérent à l'accroissement de la vitesse de dépôt de la silice obtenu par la pratique de l'invention, est encore plus grand que l'é- conomie de gaz combustible- En effet, et à titre d'exemple, une pièce déterminée qui peut être exécutée en 12 jours environ par la pratique de l'invention n'au- rait pu être fabriquée, avec des moyens de la technique antérieure, qu'au cours d'une durée atteignant sept ans.
Il convient d'observer que le dépôt par pulvérisation de silice nécessite le maintien du support sur lequel le dépôt se produit, à une tempéra- ture d'environ 1.000 C.
Il est bien entendu que les dispositions etles applications qui ont été indiquées ci-dessus, à titre d'exemple, ne sont nullement limitatives, et qu'on peut s'en écarter sans pour cela sortir du cadre de l'invention.