1951年，London首先提出用超流氦4稀釋氦3的辦法來制冷。但那時氦4/氦3混合物的相分離尚未發現。 1956年發現相分離后，London提出了實用技術。1966年研制成功了0.065 K , 0.025 K的低溫稀釋制冷機。現在商業化的稀釋制冷機可以達到0. 005K。

圖32-17是氦3/氦4稀釋制冷機原理圖。氣體(純氦3)由真空泵從1Pa壓縮到4Pa，然后在一換熱器和4.2K的氦浴中冷卻。壓縮氣體通過1.2K的氦浴冷卻而冷凝，液氦3經一毛細管膨脹，進一步在0.6 K的蒸餾器中冷卻。液體進入混合室(氦3在0.005 K和0.050K間與氦4混合)之前在另一換熱器中冷卻。在混合室中，液體分離成兩相:氦3的稀釋相和氦3的濃相。氦3/氦4混合物的相圖如圖32-18所示。氦3分子從濃縮相膨脹到稀釋相(向稀釋相擴散)，混合物的溫度下降，而混合室從低溫區吸熱以維持定溫。此過程相當于氣體等溫膨脹，只是混合器中的氦3沒有對外作功。

稀釋混合物經換熱器回到蒸餾器，混合物中的氦3吸熱蒸發。蒸餾器中液氮3含量約為1.0%，氣相則為95%~98%。