Het ontwerpprincipe van de Roots-pompen werd al in 1848 uitgevonden door Isaiah Davies, maar het was 20 jaar later voordat het in de praktijk werd toegepast door de Amerikanen Francis en Philander Roots. Aanvankelijk werden dergelijke pompen gebruikt als blowers voor verbrandingsmotoren. Later werd het principe toegepast in gasmeters door de aandrijfopstelling om te keren. Pas sinds 1954 wordt dit principe toegepast in de vacuümtechniek. Stuwpompen worden gebruikt in pompcombinaties samen met hulppompen (schotten- of droge pompen) en breiden hun werkbereik ver uit tot het middenvacuümbereik. Bij tweetraps stuwpompen reikt dit tot in het hoogvacuümbereik. Het werkingsprincipe van stuwpompen maakt het mogelijk om eenheden te monteren met zeer hoge pompsnelheden (meer dan 100.000 m3/u), die vaak zuiniger zijn dan stoomejectorpompen die in hetzelfde bedrijfsbereik werken.

A Rootsvacuümpomp (zie afb. 2,17) is een pomp van het roterende verdringertype waarbij twee symmetrisch gevormde waaiers in de pompbehuizing dicht bij elkaar voorbij draaien. De twee rotoren hebben een doorsnede die ongeveer lijkt op de vorm van een figuur 8 en worden gesynchroniseerd door een getand tandwiel. De speling tussen de rotoren en de behuizingswand en tussen de rotoren zelf bedraagt slechts enkele tienden van een millimeter. Daarom kunnen stuwpompen op hoge snelheden werken zonder mechanische slijtage. In tegenstelling tot draaischuif- en droge pompen zijn Roots-pompen niet oliedicht, zodat de interne lekkage van droge compressiepompen er door het ontwerp toe leidt dat compressieverhoudingen alleen in het bereik 10 – 100 kunnen worden bereikt. De interne lekkage van Roots-pompen, en ook andere droge compressiepompen voor deze materie, is voornamelijk gebaseerd op het feit dat vanwege het werkingsprincipe bepaalde oppervlakken van de pompkamer afwisselend zijn toegewezen aan de inlaat- en compressiezijde van de pomp. Tijdens de compressiefase worden deze oppervlakken (rotor en behuizing) belast met gas (grenslaag); tijdens de zuigfase komt dit gas vrij. De dikte van de bewegende gaslaag is afhankelijk van de speling tussen de twee rotoren en tussen de rotoren en de behuizingswand. Vanwege de relatief complexe thermische omstandigheden in de stuwpomp is het niet mogelijk om de koude toestand als uitgangspunt te nemen. De kleinste spelingen en dus de laagste terugstromingen worden bereikt bij bedrijfsdrukken in de buurt van 1 mbar. Vervolgens is het mogelijk om in dit gebied de hoogste compressieverhoudingen te bereiken, maar dit drukbereik is ook het meest kritisch gezien de contacten tussen de rotoren en de behuizing. 

Bekijk de video hieronder om een animatie te zien van een stuwpomp in actie

De hoeveelheid gas Q _eff die effectief door een Roots-pomp wordt verpompt, wordt berekend uit de theoretisch verpompte hoeveelheid gas Qth en de interne lekkage QiR (als de hoeveelheid gas die verloren gaat) als:

Voor de theoretisch verpompte hoeveelheid gas geldt: 

waarbij pa de inlaatdruk is en Sth de theoretische pompsnelheid. Dit is op zijn beurt het product van het pompvolume VS en de snelheid n: 

Op dezelfde manier wordt de interne lekkage QiR berekend als: 

waarbij p_V de voorvacuümdruk is (druk aan de voorvacuümzijde) en S_iR een (notionele) 'reflow'-pompsnelheid met 

d.w.z. het product van snelheid n en inwendig lekvolume V_iR. 

Het volumetrische rendement van een stuwpomp wordt gegeven door (2,10) 

Met behulp van de vergelijkingen 2,5, 2,6, 2,7 en 2,8 krijgt men (2,11)

Bij de aanduiding van de compressie p_v /p_a als k krijgt men 

De maximale compressie wordt bereikt bij nuldoorvoer (zie PNEUROP en DIN 28.426, deel 2). Deze wordt aangeduid als k0: (2,12)

k₀ is een karakteristieke grootheid voor de stuwpomp die gewoonlijk wordt aangegeven als een functie van de voorvacuümdruk p_V (zie Fig. 2,18). 
k₀ is ook (enigszins) afhankelijk van het type gas. 

Voor het rendement van de stuwpomp geldt de algemeen geldende vergelijking: (2,13) 

Normaal gesproken wordt een stuwpomp gebruikt in combinatie met een stroomafwaartse grofvacuümpomp met een nominale pompsnelheid S_V. De continuïteitsvergelijking geeft: (2,14) 

Hiervan (2,15) 

De verhouding S_th /S_V (theoretische pompsnelheid van de stuwpomp / pompsnelheid van de hulppomp) wordt de gradatie k_th genoemd. Uit (2,15) krijgt men (2,16) 

Vergelijking (2,16) impliceert dat de compressie k die met een stuwpomp kan worden bereikt, altijd lager moet zijn dan de classificatie k_th tussen de stuwpomp en de hulppomp, aangezien het volumetrische rendement altijd < 1 is. Bij het combineren van vergelijkingen (2,13) en (2,16) krijgt men voor het rendement de bekende uitdrukking (2,17) 

De karakteristieke grootheden in vergelijking 2,17 gelden alleen voor de combinatie van de stuwpomp en de hulppomp, namelijk maximale compressie k₀ van de stuwpomp en gradatie kth tussen de stuwpomp en de hulppomp. 

Met behulp van bovenstaande vergelijkingen kan de pompsnelheidscurve van een bepaalde combinatie van stuwpomp en hulppomp worden berekend. Hiervoor moet het volgende bekend zijn: 

a) de theoretische pompsnelheid van de stuwpomp: S_th
b) de max. compressie als functie van voorvacuümdruk: k0 (p_V) 
c) de karakteristiek van de pompsnelheid van de hulppomp S_V (p_V) 

De wijze waarop de berekening wordt uitgevoerd, is te zien in tabel 2,3 met de gegevens voor de combinatie van een stuwpomp RUVAC WA 2001 / E 250 (eentraps roterende plunjerpomp, bediend zonder gasballast). 

Hierin wordt voor S_th als volgt uitgegaan: 

De hierboven beschreven methode kan ook worden toegepast op opstellingen die bijvoorbeeld bestaan uit een roterende pomp als hulppomp en meerdere in serie geschakelde stuwpompen. Aanvankelijk wordt – volgens een iteratiemethode – de pompkarakteristiek van de hulppomp plus de eerste stuwpomp bepaald en vervolgens wordt deze combinatie beschouwd als de hulppomp voor de tweede stuwpomp enzovoort. Uiteraard is het vereist dat de theoretische pompsnelheid van alle pompen van de opstelling bekend is en dat de compressie bij nuldoorvoer k₀ als functie van de stuwdruk ook bekend is. Zoals reeds vermeld, hangt het af van het vacuümproces welke klasse het meest geschikt is. Het kan een voordeel zijn als de hulppomp en de stuwpomp beide dezelfde pompsnelheid hebben in het grofvacuümbereik. 

Compressie in een stuwpomp wordt uitgevoerd door middel van externe compressie en wordt isochorische compressie genoemd. De ervaring leert dat de volgende vergelijking ongeveer geldt: 

Om het totale vermogen (het zogenaamde asvermogen) van de pomp te bepalen, moet rekening worden gehouden met mechanische vermogensverliezen NV (bijvoorbeeld in de lagerafdichtingen): (2,19) 

De vermogensverliezen samengevat in N_V zijn – zoals de ervaring heeft aangetoond – ongeveer evenredig met Sth, d.w.z.: 

Afhankelijk van het type pomp en het ontwerp ligt de waarde van de constanten tussen 0,5 en 2 Wh / m³. 
Het totale vermogen is dus: 

De overeenkomstige numerieke waardevergelijking die nuttig is voor berekeningen is: 

waarbij p_v, p_a in mbar, S_th in m³ / h en de constante "const." tussen 18 en 72 mbar ligt.  

De hoeveelheid stroom die de pomp verbruikt, bepaalt de temperatuur ervan. Als de temperatuur boven een bepaald niveau stijgt, bepaald door het maximaal toelaatbare drukverschil p_V - p_a, bestaat het gevaar dat de rotoren door hun thermische uitzetting in de behuizing vastlopen. Het maximaal toegestane drukverschil Δp _max wordt beïnvloed door de volgende factoren: voorvacuüm- of compressiedruk pV, pompsnelheid van de hulppomp S_V, snelheid van de stuwpomp n, gradatie k_th en de adiabatische exponent κ van het verpompte gas. Δpmax neemt toe wanneer p_V en S_V toenemen en neemt af wanneer n en k_th toenemen. Het maximale verschil tussen de voorvacuümdruk en de inlaatdruk, p_V -p _a, mag dus – tijdens continu bedrijf – een bepaalde waarde niet overschrijden, afhankelijk van het type pomp. Dergelijke waarden liggen tussen 130 en 50 mbar. Het maximaal toegestane drukverschil voor continu bedrijf kan echter kortstondig worden overschreden. Bij speciale uitvoeringen, die bijvoorbeeld gebruik maken van gaskoeling, zijn ook bij continubedrijf hoge drukverschillen toegestaan.

Als aandrijving worden standaard flensgemonteerde motoren gebruikt. De asdoorvoeren worden afgedicht door twee met olie afgedichte radiale asafdichtingen die op een slijtvaste bus lopen om de aandrijfas te beschermen. Flensmotoren van elke beschermingsklasse, spanning of frequentie kunnen worden gebruikt. 

Integrale lekdichtheid van deze uitvoering is < 10 ^-4 mbar · l · s ^-1.  

Bij betere lekdichtheidseisen van < 10 ^-5 mbar · l · s ^-1 is de stuwpomp uitgerust met een ingekapselde motor. De rotor zit in het vacuüm op de aandrijfas van de pomp en is gescheiden van de stator door een vacuümdichte niet-magnetische buis. De statorspoelen worden gekoeld door een ventilator met een eigen aandrijfmotor. Daardoor zijn asafdichtingen die onderhevig kunnen zijn aan slijtage niet meer nodig. Het gebruik van stuwpompen met ingekapselde motoren wordt met name aanbevolen bij het verpompen van zeer zuivere, giftige of radioactieve gassen en dampen. 

 Bij standaard stuwpompen moeten maatregelen worden getroffen om ervoor te zorgen dat het maximaal toegestane drukverschil tussen de inlaat- en uitlaatpoort als gevolg van ontwerpbeperkingen niet wordt overschreden. Dit wordt gedaan door een drukschakelaar die de stuwpomp in- en uitschakelt afhankelijk van de inlaatdruk, of door gebruik te maken van een drukverschil- of overloopklep in de bypass van de stuwpompen (Fig. 2,20 en 2,21). Het gebruik van een overloopklep in de bypass van de stuwpomp is de betere en betrouwbaardere oplossing. Het gewicht en de veerbelaste klep zijn ingesteld op het maximaal toegestane drukverschil van de betreffende pomp. Dit zorgt ervoor dat de stuwpomp niet overbelast raakt en dat deze in elk drukbereik kan werken. In de praktijk betekent dit dat de stuwpomp samen met de hulppomp kan worden ingeschakeld bij atmosferische druk. Tijdens het proces hebben drukstijgingen geen negatieve invloed op de gecombineerde werking, d.w.z. dat de stuwpomp in dergelijke omstandigheden niet wordt uitgeschakeld. 

In het geval van stuwpompen met voorkoeling (Fig. 2,22), is het compressieproces in principe hetzelfde als dat van een normale stuwpomp. Aangezien grotere drukverschillen zijn toegestaan, is er meer geïnstalleerd vermogen nodig, dat bij het gegeven toerental en het drukverschil tussen de inlaat- en uitlaatpoort rechtstreeks evenredig is en bestaat uit het theoretische werk dat is verricht op compressie en verschillende vermogensverliezen. Het compressieproces eindigt normaal gesproken na het openen van de pompkamer in de richting van de afvoerpoort. Op dit moment stroomt verwarmd gas met een hogere druk in de pompkamer en comprimeert het getransporteerde gasvolume. Bij voorkoeling wordt dit compressieproces vooraf uitgevoerd. Voordat de rotor de pompkamer opent in de richting van de afvoerpoort, stroomt gecomprimeerd en gekoeld gas via het voorinlaatkanaal in de pompkamer. Tot slot spuiten de rotoren het verpompte medium uit via de afvoerpoort. Het gekoelde gas, dat in het geval van eentraps compressie uit de atmosfeer wordt gehaald en uit de voorkoeler wordt toegelaten, en dat in het geval van meertraps pompsystemen uit stroomafwaartse gaskoelers wordt gehaald, voert een voorcompressie uit en verwijdert door 'interne koeling' de compressiewarmte op het moment dat deze optreedt.