稀釋制冷機是1962年首先由heinz london提出的，它的制冷過程中使用了氦的二種穩(wěn)定同位素3he和4he的混合物作為制冷劑。這個過程要依賴3he和4he特殊的熱力學特征。
氦是所有氣體中沸點最低的，是最難液化的氣體。氦在大氣中含量極低，只有5×10-6體積分數左右。在極低溫下，液氦具有量子性質，即粘度很小，僅為10-12pa•s左右，具有極好的超流動性, 流動幾乎沒有阻力。同時，導熱系數非常大，比銅大104倍，因此在超流液氦中不可能形成溫度梯度。氦由二種穩(wěn)定同位素3he和4he組成。正常的氦氣里僅含1.3×10-6的3he，因此，除非特別說明，一般均指4he。4he在2.172k以下，具有超流動性，而3he的超流動性要將溫度降到0.003k時才顯示出來。在極低溫下，液體3he和4he混合時具有吸熱效應，這些特性被用于稀釋制冷機中。
heinz london, german (1907-1970)
低溫下3he和4he的液氦混合物相圖顯示，3he和4he的混合物可以是正常液體、超液體、正常液體和超流體的兩相混合物，取決于混合物的濃度和溫度。稀釋冷卻只可能發(fā)生在低于三相點溫度的地方。
低溫下3he/4he液相混合物相圖
在低于三相點（0.87k）的溫度下，3he/4he液相混合物將由相界面分成兩個不同濃度的液相。一個相主要含有3he，因此被稱為3he的濃縮相，對應于從圖的右下角至三相點的相平衡線。一個相主要含有3he，因此被稱為4he的濃縮相，對應于從圖的左下角至三相點的相平衡線。不論什么溫度下，總是至少含有6％的3he。
油和水的混合物在一起是一個很好的例子，可以說明這種狀態(tài)。如果維持油水混合物在一個較高的溫度，油和水將保持均勻混合。但是，如果降低溫度，油會與水分開且浮在上面，仔細分析后發(fā)現油中有少量水存在，反之，水中有少量油存在，即這是含有兩個不同油水混合物濃度的兩相混合物。
含有兩個不同油/水混合物濃度的兩相混合物
如同液體蒸發(fā)相變制冷，需要額外的能源把3he原子從3he的濃縮相運輸到3he 稀缺相（4he的濃縮相）。如果3he原子可不斷跨越這個界限，則可有效地冷卻3he和4he混合物。由于3he稀缺相即使在絕對零度也不能的6％，因此，可以在極低的溫度下進行有效的稀釋制冷。這個過程發(fā)生的地方被稱為混合室。
最簡單的應用是間歇式稀釋制冷機，首先收集大量的3he濃縮相混合物液體，然后將逐漸把3he移到3he的稀缺相進行稀釋制冷，一旦所有的3he處于3he稀缺相，制冷過程就停止了。
通常采用連續(xù)運行的稀釋制冷機。3he濃縮相混合物在冷凝器中首先液化，然后流到在混合室中，3he從3he濃縮相遷移到3he稀缺相中，產生制冷量，然后3he稀缺相混合物液體在蒸發(fā)器（still）中蒸發(fā)，成為3he濃縮相氣體混合物，被壓縮機加壓后返回到冷凝器，開始再次循環(huán)。
連續(xù)氦稀釋制冷原理
氦稀釋制冷機具有連續(xù)制冷、操作方便、穩(wěn)定可靠、不用磁場就可獲得mk級低溫的特點，為低溫物理學研究提供了便利?，F已制成能獲得約0.005k低溫的間歇式稀釋制冷機，在連續(xù)制冷系統中可達到0.01k。
連續(xù)氦稀釋制冷機