熱力膨脹閥廣泛應用于空調冷水機組。它既可控制蒸發器供液量，又可節流飽和液態制冷劑。根據熱力膨脹閥結構上的不同，分為內平衡式和外平衡式兩種。考慮到制冷劑流經蒸發器產生一定的壓力損失，為降低開啟過熱度，提高蒸發器傳熱面積的利用率，一般自膨脹閥出口至蒸發器出口，制冷劑的壓力降所對應的蒸發溫度降超過2~3℃，應選用外平衡式熱力膨脹閥。
外平衡式熱力膨脹閥的工作原理是建立在力平衡的基礎上。工作時，彈性金屬膜片上部受感溫包內工質的壓力P3作用，下面受蒸發器出口壓力P1與彈簧力P2的作用。膜片在三個力的作用下，向上或向下鼓起,從而使閥孔關下或開大，用以調節蒸發器的供液量。當進入蒸發器的液量小于蒸發器熱負荷的需要時，則蒸發器出口蒸氣的過熱度增大，膜片上方的壓力大于下方的壓力，這樣就迫使膜片向下鼓出，通過頂桿壓縮彈簧，并把閥針頂開，使閥孔開大，則供液量增大。反之當供液量大于蒸發器熱負荷的需要時，則出口處蒸氣的過熱度減小，感溫系統中的壓力降低，膜片上方的作用力小于下方的作用力時，使膜片向上鼓出，彈簧伸長，頂桿上移并使閥孔關小，對蒸發器的供液量也就隨之減少。熱力膨脹閥的過熱度由開啟過熱度和有效過熱度組成，開啟過熱度與彈簧的預緊力有關，有效過熱度與彈簧的強度及閥針的行程有關。膨脹閥的彈簧是按標準工況設計的，機組在標準工況下，機組滿負荷或變負荷運行均維持較高的COP值。但在大壓差工況下，蒸發壓力降低，蒸發器負荷需求的液量減少，但實際情況相反，在吸氣過熱度不變的情況下，由于蒸發壓力降低，蒸發器出口壓力P1相應降低，膜片上下的壓差變大，使主閥開度增大，供液量增加；但在小壓差工況下，蒸發壓力上升，蒸發器負荷需求的液量增多，但實際情況是在吸氣過熱度不變的情況下，由于蒸發壓力上升，蒸發器出口壓力P1相應提高，膜片上下的壓差變小，使主閥開度減小，供液量減少；在變負荷下亦如此。因此熱力膨脹閥在變工況下供液量的調節方面需進一步改進。