Nguyên tắc thiết kế của bơm Roots đã được phát minh vào năm 1848 bởi Isaiah Davies, nhưng 20 năm sau đó nó đã được thực hiện trong thực tế bởi người Mỹ Francis và Philander Roots. Ban đầu, các máy bơm như vậy được sử dụng làm máy thổi cho động cơ đốt trong. Sau đó, bằng cách đảo ngược bố trí truyền động, nguyên tắc này được sử dụng trong đồng hồ đo khí. Nguyên tắc này chỉ được sử dụng trong kỹ thuật chân không từ năm 1954. Bơm Roots được sử dụng trong các kết hợp bơm cùng với bơm phụ (bơm cánh quạt xoay hoặc bơm khô) và mở rộng phạm vi hoạt động của chúng vào khoảng chân không trung bình. Với bơm Roots hai giai đoạn, điều này mở rộng đến phạm vi chân không cao. Nguyên tắc hoạt động của bơm Roots cho phép lắp ráp các thiết bị có tốc độ bơm rất cao (trên 100.000 m3/h) thường tiết kiệm hơn so với bơm phun hơi chạy trong cùng phạm vi hoạt động.

A Bơm chân không Roots (xem Hình 2,17) là loại bơm dịch chuyển dương xoay, trong đó hai bộ cánh bơm có hình dạng đối xứng xoay bên trong vỏ bơm qua gần nhau. Hai rôto có mặt cắt ngang gần giống với hình dạng của hình 8 và được đồng bộ hóa bởi một bánh răng. Khe hở giữa các rôto và thành vỏ cũng như giữa các rôto chỉ là vài phần mười milimét. Vì lý do này, bơm Roots có thể hoạt động ở tốc độ cao mà không bị mài mòn cơ học. Không giống như cánh quạt xoay và bơm khô, bơm Roots không bịt kín bằng dầu, do đó rò rỉ bên trong của bơm nén khô theo thiết kế dẫn đến thực tế là chỉ có thể đạt được tỷ lệ nén trong phạm vi 10 - 100. Rò rỉ bên trong của bơm Roots, cũng như các bơm nén khô khác cho vấn đề đó, chủ yếu dựa trên thực tế là do nguyên tắc hoạt động, một số khu vực bề mặt của buồng bơm được gán luân phiên cho phía nén và phía nén của bơm. Trong giai đoạn nén, các khu vực bề mặt này (rotor và vỏ) được nạp khí (lớp ranh giới); trong giai đoạn hút khí này được giải phóng. Độ dày của lớp khí di chuyển phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai rôto và giữa rôto và thành vỏ. Do điều kiện nhiệt tương đối phức tạp trong bơm Roots, không thể dựa vào trạng thái lạnh để xem xét. Khe hở nhỏ nhất và do đó dòng chảy ngược thấp nhất đạt được ở áp suất vận hành trong khoảng 1 mbar. Sau đó, có thể đạt được tỷ lệ nén cao nhất ở khu vực này, nhưng phạm vi áp suất này cũng quan trọng nhất khi xem xét các tiếp xúc giữa rôto và vỏ. 

Xem video dưới đây để xem hoạt ảnh bơm của bơm Roots đang hoạt động

Lượng khí Q _eff được bơm hiệu quả bởi bơm Roots được tính từ lượng khí Qth được bơm theo lý thuyết và rò rỉ bên trong QiR (dưới dạng lượng khí bị mất) như sau:

Điều sau áp dụng cho lượng khí được bơm theo lý thuyết: 

trong đó pa là áp suất đầu vào và Sth là tốc độ bơm lý thuyết. Lần lượt đó là sản phẩm của thể tích bơm VS và tốc độ n: 

Tương tự, rò rỉ bên trong QiR được tính như sau: 

trong đó p_V là áp suất chân không sơ bộ (áp suất ở phía chân không sơ bộ) và S_iR là tốc độ bơm "trở lại" (theo nghĩa đen) với 

tức là sản phẩm của tốc độ n và thể tích rò rỉ bên trong V_iR. 

Hiệu quả thể tích của bơm Roots được quy định bởi (2,10) 

Bằng cách sử dụng các phương trình 2,5, 2,6, 2,7 và 2,8 thu được (2,11)

Khi chỉ định nén p_v /p_a là k một thu được 

Nén tối đa đạt được ở thông lượng bằng không (xem PNEUROP và DIN 28.426, Phần 2). Nó được chỉ định là k0: (2,12)

k₀ là một số lượng đặc trưng cho bơm Roots thường được nêu dưới dạng hàm của áp suất chân không sơ bộ p_V (xem Hình 2,18). 
k₀ cũng phụ thuộc (một chút) vào loại khí. 

Đối với hiệu suất của bơm Roots, phương trình thường được áp dụng: (2,13) 

Thông thường, bơm Roots sẽ được vận hành kết nối với bơm chân không thô hạ nguồn có tốc độ bơm danh định S_V. Phương trình Liên tục cho: (2,14) 

Từ đó (2,15) 

Tỷ lệ S_th /S_V (tốc độ bơm lý thuyết của bơm Roots / tốc độ bơm của bơm dự phòng) được gọi là mức k_th. Từ (2,15) có được (2,16) 

Phương trình (2,16) ngụ ý rằng nén k có thể đạt được với bơm Roots phải luôn nhỏ hơn k_th phân loại giữa bơm Roots và bơm phụ vì hiệu suất thể tích luôn < 1. Khi kết hợp các phương trình (2,13) và (2,16), có được biểu thức hiệu suất đã biết (2,17) 

Các lượng đặc trưng được tìm thấy trong phương trình 2,17 chỉ dành cho sự kết hợp của bơm Roots và bơm ngược, cụ thể là nén tối đa k₀ của bơm Roots và pha kth giữa bơm Roots và bơm ngược. 

Với sự trợ giúp của các phương trình trên, có thể tính toán đường cong tốc độ bơm của một tổ hợp bơm Roots và bơm phụ nhất định. Để làm điều này, cần biết những điều sau: 

a) tốc độ bơm lý thuyết của bơm Roots: S_th
b) tối đa nén như một chức năng của áp suất chân không sơ bộ: k0 (p_V) 
c) đặc tính tốc độ bơm của bơm phụ S_V (p_V) 

Có thể xem cách tính toán được thực hiện trong Bảng 2,3 cho dữ liệu về sự kết hợp của bơm Roots RUVAC WA 2001 / E 250 (bơm pít-tông xoay một tầng, vận hành không có dung môi khí). 

Trong tài liệu này, các điều sau được xem là đối với S_th: 

Phương pháp nêu trên cũng có thể được áp dụng cho các bố trí bao gồm, ví dụ, một bơm xoay làm bơm phụ và một số bơm Roots kết nối nối tiếp. Ban đầu, người ta xác định - theo phương pháp lặp lại - đặc tính bơm của bơm phụ cộng với bơm Roots đầu tiên và sau đó xem xét kết hợp này là bơm phụ cho bơm Roots thứ hai, v.v. Tất nhiên, cần phải biết tốc độ bơm lý thuyết của tất cả các bơm trong bố trí và nén ở thông lượng bằng không k₀ là một chức năng của áp suất phụ. Như đã nêu, việc phân loại nào phù hợp nhất sẽ phụ thuộc vào quy trình chân không. Có thể có lợi khi cả bơm phụ và bơm Roots đều có cùng tốc độ bơm trong phạm vi chân không thô. 

Nén trong bơm Roots được thực hiện bằng cách nén bên ngoài và được gọi là nén đẳng trương. Kinh nghiệm cho thấy rằng phương trình sau đây giữ khoảng: 

Để xác định tổng công suất (được gọi là đầu ra trục) của bơm, phải xem xét tổn thất công suất cơ học NV (ví dụ trong gioăng ổ trục): (2,19) 

Mất điện được tóm tắt trong N_V - như kinh nghiệm cho thấy - tỷ lệ thuận với Sth, tức là: 

Tùy thuộc vào loại bơm và thiết kế của bơm, giá trị của phạm vi hằng số từ 0,5 đến 2 Wh / m³. 
Tổng công suất là: 

Phương trình giá trị số tương ứng hữu ích cho các phép tính là: 

với p_v, p_a tính bằng mbar, S_th tính bằng m³ / h và hằng số "const." là từ 18 đến 72 mbar.  

Lượng công suất được bơm tiêu thụ sẽ xác định nhiệt độ của bơm. Nếu nhiệt độ tăng trên một mức nhất định, được xác định bởi chênh lệch áp suất tối đa cho phép p_V - p_a, có nguy cơ rôto có thể bị kẹt trong vỏ do giãn nở nhiệt. Chênh lệch áp suất tối đa cho phép Δp _tối đa bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: chân không sơ bộ hoặc áp suất nén pV, tốc độ bơm của bơm phụ S_V, tốc độ của bơm Roots n, độ phân tán k_th và hàm số nhiệt κ của khí được bơm. Δpmax tăng khi p_V và S_V tăng và giảm khi n và k_th tăng. Do đó, chênh lệch tối đa giữa áp suất chân không sơ bộ và áp suất đầu vào, p_V -p_a - trong quá trình vận hành liên tục - không được vượt quá một giá trị nhất định tùy thuộc vào loại bơm. Các giá trị này nằm trong khoảng từ 130 đến 50 mbar. Tuy nhiên, chênh lệch áp suất tối đa cho phép khi vận hành liên tục có thể bị vượt quá trong thời gian ngắn. Đối với các thiết kế đặc biệt, ví dụ sử dụng làm mát khí, chênh lệch áp suất cao cũng được cho phép trong quá trình vận hành liên tục.

Động cơ gắn mặt bích tiêu chuẩn được sử dụng làm bộ truyền động. Ống dẫn trục được bịt kín bởi hai gioăng trục xuyên tâm bịt kín dầu chạy trên ống lót chống mài mòn để bảo vệ trục truyền động. Có thể sử dụng động cơ mặt bích với mọi loại bảo vệ, điện áp hoặc tần số. 

Tính kín tích hợp của phiên bản này là < 10 ^-4 mbar · l · s ^-1.  

Trong trường hợp yêu cầu độ kín tốt hơn < 10 ^-5 mbar · l · s ^-1, bơm Roots được trang bị động cơ đóng hộp. Rôto nằm trong chân không trên trục truyền động của bơm và được tách khỏi stator bằng một ống không từ tính kín chân không. Cuộn dây stato được làm mát bởi quạt có động cơ truyền động riêng. Do đó, các gioăng trục có thể bị hao mòn không còn cần thiết nữa. Việc sử dụng bơm Roots được trang bị động cơ đóng hộp đặc biệt được khuyến nghị khi bơm khí và hơi có độ tinh khiết cao, độc hại hoặc phóng xạ. 

 Trong trường hợp bơm Roots tiêu chuẩn, phải thực hiện các biện pháp để đảm bảo không vượt quá chênh lệch áp suất tối đa cho phép giữa cổng nạp và xả do các hạn chế về thiết kế. Điều này được thực hiện bằng công tắc áp suất, công tắc này sẽ bật và tắt bơm Roots tùy thuộc vào áp suất đầu vào, hoặc bằng cách sử dụng chênh lệch áp suất hoặc van tràn trong đường bypass của bơm Roots (Hình 2,20 và 2,21). Việc sử dụng van tràn trong đường bypass của bơm Roots là giải pháp tốt hơn và đáng tin cậy hơn. Trọng lượng và lò xo của van được thiết lập theo chênh lệch áp suất tối đa cho phép của bơm cụ thể. Điều này đảm bảo rằng bơm Roots không bị quá tải và có thể hoạt động trong bất kỳ phạm vi áp suất nào. Trong thực tế, điều này có nghĩa là bơm Roots có thể được bật, cùng với bơm phụ, ở áp suất khí quyển. Trong quá trình này, bất kỳ sự tăng áp suất nào cũng sẽ không ảnh hưởng xấu đến hoạt động kết hợp, tức là bơm Roots không bị tắt trong những trường hợp như vậy. 

Trong trường hợp bơm Roots có hệ thống làm mát trước khi vào (Hình 2,22), quy trình nén về cơ bản giống như quy trình nén của bơm Roots thông thường. Vì cho phép chênh lệch áp suất lớn hơn nên cần nhiều công suất lắp đặt hơn, ở tốc độ đã cho và chênh lệch áp suất giữa cổng nạp và xả là tỷ lệ trực tiếp và bao gồm công việc lý thuyết được thực hiện về nén và mất điện khác nhau. Quá trình nén thường kết thúc sau khi mở khoang bơm theo hướng cổng xả. Tại thời điểm này, khí nóng ở áp suất cao hơn chảy vào buồng bơm và nén thể tích khí được vận chuyển. Quy trình nén này được thực hiện trước trong trường hợp làm mát trước khi vào. Trước khi rôto mở khoang bơm theo hướng cổng xả, khí nén và làm mát sẽ chảy vào khoang bơm thông qua kênh nạp trước. Cuối cùng, các rôto đẩy môi chất được bơm ra qua cổng xả. Khí được làm mát, trong trường hợp nén một tầng được lấy từ khí quyển và đưa vào từ bộ làm mát trước khi vào, và trong trường hợp hệ thống bơm nhiều tầng được lấy từ bộ làm mát khí hạ nguồn, thực hiện nén trước và loại bỏ nhiệt nén bằng cách "làm mát bên trong" tại thời điểm xảy ra.