یخچال رقیق‌سازی (dilution refrigerator) به وسیله  ³He/⁴He یک دستگاه برودتی (cryogenic) است که یک سرمایش پیوسته را تا دماهای کم در حد 2 میلی کلوین، بدون داشتن قطعات متحرک در منطقه کم دما فراهم می‌کند. توان سرمایش توسط حرارت اختلاط ایزوتوپ‌های هلیوم 3 و هلیوم 4 فراهم می‌شود. این تنها روش سرمایش پیوسته برای رسیدن به دمای زیر 0/3 کلوین است.

تئوری کارکرد یخچال رقیق‌سازی

   فرآیند تبرید یخچال رقیق‌سازی از مخلوطی از دو ایزوتوپ هلیوم: هلیوم 3 و هلیوم 4 استفاده می‌کند. هنگامی که مخلوط به دمای کم‌تر از حدود 870 میلی کلوین سرد می‌شود، به صورت خود به خود تحت یک فرآیند جداسازی فازی قرار می‌گیرد و یک فاز غنی از هلیوم 3 (فاز غلیظ) و یک فاز دارای هلیوم 3 کم (فاز رقیق) تشکیل می‌دهد. در دماهای بسیار پایین فاز غلیظ اساساً هلیوم 3 خالص است؛ در حالی که فاز رقیق حاوی حدود 6.6 درصد هلیوم 3 و 93.4 درصد هلیوم 4 است. سیال هلیوم 3 توسط پمپ‌های خلأ (vacuum pomps) در دمای اتاق سیرکوله می‌شود.

   هلیوم 3 در فشار چند صد میلی بار وارد کریوستات (cryostat) می‌شود. در یخچال رقیق‌سازی کلاسیک، معروف به یخچال رقیق‌سازی مرطوب (wet dilution refrigerator) هلیوم 3 به وسیله نیتروژن مایع در دمای 77 کلوین و یک حمام هلیوم در دمای 4.2 کلوین پیش سرد و خالص می‌شود. سپس هلیوم 3 وارد یک محفظه خلأ می‌شود که در آن توسط یک "حمام 1 کلوینی"، تا دمای بین 1/2 تا 1/5 کلوین سرد می‌شود. در حمام 1 کلوینی هلیوم 4 پمپ می‌شود زیرا با کاهش فشار مخزن هلیوم، نقطه جوش آن کاهش می‌یابد. حمام 1 کلوینی گاز هلیوم 3 را مایع و حرارت میعان آن را خارج می‌کند. پس از آن هلیوم 3 وارد امپدانس اصلی می‌شود که یک لوله مویین با مقاومت جریان بالا است و توسط دستگاه تقطیر (still) تا دمای 500 تا 700 میلی کلوین سرد می‌شود. پس از آن هلیوم 3 در یک امپدانس ثانویه و در مجموعه‌ای از مبدل‌های حرارتی جریان متقابل (counterflow heat exchanger) جریان می‌یابد و در آنجا توسط یک جریان سرد هلیوم 3 سرد در محفظه اختلاط، دو فاز مخلوط هلیوم 3 و هلیوم 4، فاز غلیظ (عملاً 100 درصد هلیوم 3) و فاز رقیق (حدود 6.6 درصد هلیوم 3 و 93.4 درصد هلیوم 4) در حال تعادل هستند و توسط یک مرز فاز جدا شده‌اند. در داخل محفظه، زمانی که هلیوم 3 از مرز فاز، از فاز غلیظ به فاز رقیق حرکت می‌کند، رقیق می‌شود. حرارت لازم برای رقیق‌سازی قدرت مفید سرمایش یخچال است زیرا فرآیند حرکت هلیوم 3 از طریق مرز فاز گرماگیر است و حرارت را از محیط محفظه اختلاط می‌گیرد. سپس محفظه اختلاط را در فاز رقیق ترک می‌کند. در این مسیر هلیوم 3 سرد و رقیق از طریق مبدل‌های حرارتی هلیوم 3 در حال حرکت به سمت پایین را سرد می‌کند تا این که وارد دستگاه تقطیر شود. در دستگاه تقطیر، هلیوم 3 از میان ابر سیال (superfluid) هلیوم 4 که در حالت ساکن است عبور می‌کند. فشار در دستگاه تقطیر توسط پمپ‌هایی در دمای اتاق پایین نگه داشته می‌شود (حدود 10 پاسکال). بخار در دستگاه تقطیر عملاً هلیوم 3خالص است که دارای فشار جزئی بسیار بالاتری نسبت به هلیوم 4 در 500 تا 700 میلی کلوین است. بنابراین پمپ باعث ایجاد یک اختلاف فشار اسمزی می‌شود که هلیوم 3 بیش‌تری در محفظه اختلاط را از فاز غلیظ به فاز رقیق و سپس از محفظه اختلاط به دستگاه تقطیر می‌فرستد. برای برقراری یک جریان پایدار از هلیوم 3، به دستگاه تقطیر حرارت داده می‌شود. پمپ‌ها هلیوم  3 را تا فشار چند صد میلی بار متراکم و آن را دوباره به کرایوستات تغذیه می‌کنند تا سیکل کامل شود.

   یخچال‌های رقیق‌سازی بدون سیال برودتی

   یخچال‌های رقیق‌سازی مدرن می‌توانند به جای استفاده از نیتروژن مایع، هلیوم 3، هلیوم مایع و حمام 1 کلوینی را به وسیله یک کولر برودتی (cryocooler) پیش سرد کنند. در این کرایوستات‌های خشک (dry dilution refrigerator) نیاز به ورود مایعات برودتی از خارج نیست و کارکرد آن‌ها بسیار خودکار انجام می‌شود. با این حال، کرایوستات‌های خشک نیاز به انرژی بالایی دارند و در معرض ارتعاشات مکانیکی هستند و کارکرد آن‌ها مشابه با یخچال‌های پالس تیوب  (pulse tube refrigerators ) است.