羅茨泵的結構如圖所示。在泵腔內，有二個"8"字形的轉子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動作彼此反向的同步旋轉運動。在轉子之間，轉子與泵殼內壁之間，保持有一定的間隙，可以實現高轉速運行。由于羅茨泵是一種無內壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故高、中真空泵需要前級泵。羅茨泵的極限真空除取決于泵本身結構和制造精度外，還取決于前級泵的極限真空。為了提高泵的極限真空度，可將羅茨泵串聯使用。
羅茨泵的工作原理與羅茨鼓風機相似。由于轉子的不斷旋轉，被抽氣體從吸氣口吸入到轉子與泵殼之間的空間v0內，再經排氣口排出。由于吸氣后v0空間是全封閉狀態，所以，在泵腔內氣體沒有壓縮和膨脹。但當轉子頂部轉過排氣口邊緣，v0空間與排氣側相通時，由于排氣側氣體壓強較高，則有一部分氣體返沖到空間v0中去，使氣體壓強突然增高。當轉子繼續轉動時，氣體排出泵外。
右(下)圖為羅茨泵轉子由0°轉到180°的抽氣過程。在0°位置時（圖a），左轉子從泵入口封入v0體積的氣體。當轉到45°位置時（圖b），該腔與排氣口相通。由于排氣側壓強較高，引起一部分氣體返沖過來。當轉到90°位置時（圖c），左轉子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。這時，右轉子也從泵入口封入v0體積的氣體。當轉子繼續轉到135°時（圖d），右轉子封入的氣體與排氣口相通，重復上述過程。180°（圖e）位置和0°位置（圖a）是一樣的。轉子主軸旋轉一周共排出四個v0體積的氣體。
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