3He，4He的混合液在0.86K以上时，液3He可以以任何比例溶解在液4He中，但是当混合溶液的温度降到0.86K以下时，混合液则分离成两相，其中含3He多的相称为浓缩相，而含3He少的相称为稀释相。在低于0.86K的任一温度都对应于一定的3He含量的稀释相和浓缩相，并达到相平衡。当从稀释相中取走3He原子时，为了保持两相的平衡，则由浓缩相中的3He通过相界面进入稀释相以补充被移去的3He原子。可以计算得3He在稀释相中的焓和熵比在浓缩相中要大得多。所以这种稀释过程需要吸热，利用这个吸热现象制成了稀释制冷机。
从稀释制冷机的结构图来看，包含相界面的室称做混合室，3He原子从浓缩相经过相界面进入稀释相要吸热而制冷，使温度降低。包含稀释相的自由表面的室称为蒸馏室，温度维持在0.6～0.7K。此时3He的
饱和蒸气压远高于4He的饱和蒸气压，可以用抽气机抽走，这时浓缩相中的3He原子就不断地通过相界面进入稀释相，抽走的3He经过冷凝再补充到浓缩相中形成循环，使制冷机不断地运行。
稀释制冷机（dilutionrefrigerator） 1951年H.London提出可以用超流4He稀释3He的方法制冷的理论。到1965年P.Das等人根据这一理论制成了3He-4He稀释制冷机，已达到1.8mK的低温。它可以长时间地维持毫K范围的温度，有较大的冷却能力，已成为获得毫K温度的最重要的手段和设备。
2021年7月12日，记者从中国科学院物理研究所获悉，该所自主研发的无液氦稀释制冷机成功实现10mK（绝对零度以上0.01度）以下极低温运行。这标志着我国在高端极低温仪器研制上取得了突破性的进展。
2023年10月15日，从安徽省量子计算工程研究中心获悉，由本源量子计算（合肥）股份有限公司完全自主研发的本源SL400国产稀释制冷机成功下线，这是中国科创企业的研发团队首次成功突破量子计算极低温制冷这一关键核心技术，打破欧美在稀释制冷机上的垄断局面。
2024年2月，安徽省量子信息工程技术研究中心及科大国盾量子技术股份有限公司联合发布消息，国产稀释制冷机在交付客户后完成性能测试，结果显示，该设备实际运行指标达同类产品国际主流水平，成为国内首款可商用可量产的超导量子计算机用稀释制冷机。
2024年6月11日，澎湃新闻报道称，从安徽省量子计算工程研究中心获悉，国产超导量子计算机关键设备——本源SL1000国产稀释制冷机在合肥成功升级下线，标志着中国在稀释制冷领域已达国际先进水平。该稀释制冷机由本源量子计算科技(合肥)股份有限公司自主研发，可以容纳840根极低温特种高频同轴线缆，能够满足100+位超导量子芯片运行环境搭建条件。