Toplotni ekspanzijski ventil je običajno mehanska naprava v klimatskem ali hladilnem sistemu, ki uravnava tlake hladilnega materiala. Znotraj teh sistemov se lahko termični ekspanzijski ventili štejejo za merilne naprave, ki hkrati spremljajo in nadzorujejo količino hladilnega sredstva, ki ga uporablja hladilni sistem. Ko se temperatura v prostoru spreminja, se spreminja tudi količina hladilnega sredstva, ki je potrebna za vzdrževanje želene temperature. Toplotni ekspanzijski ventil nadzira spremenljive ravni hladilnega sredstva.
V mnogih hladilnih sistemih se hladilno sredstvo zadrži v eni komori kot tekočina, v drugi pa se sprosti kot plin. To dejanje poganja proces hlajenja tako, da odvzema toploto iz tega prostora, da spremeni fazo hladilnega sredstva iz tekočine v plin in spet nazaj v tekočino. Toplotni ekspanzijski ventil je običajno točka v hladilnem sistemu, pri kateri se tekočina sprosti, da postane plin in sproži proces hlajenja.
Ta del procesa je običajno odvisen od temperature notranjih komponent v celotnem hladilnem sistemu. Tipičen toplotni ekspanzijski ventil vključuje komponento, imenovano termična žarnica. Ta komora je napolnjena z majhno količino hladilne tekočine, ki je izolirana od temperatur zraka in povezana neposredno s sistemom tuljav, skozi katere prehaja hladilno sredstvo, običajno imenovanim uparjalnik. Ko pride do temperaturnih sprememb, te spremembe vplivajo na termično žarnico prek povezave s toplotnim ekspanzijskim ventilom in ostalim hladilnim sistemom.
Ker se temperatura spreminja po sistemu, zlasti v uparjalniku, to kaže na spremembo temperature za prostor, ki se ohlaja. Material v termični žarnici se mora širiti in krčiti ob kakršni koli temperaturni spremembi, ker toplotna žarnica kljub temperaturnim spremembam ohranja enakomerno velikost. Višje temperature v hladilnem sistemu prisilijo tekočino in plin v termični žarnici, da se razširita. Ta ekspanzija prisili, da odpre ventil, kar omogoča, da več hladilnega sredstva preide v uparjalnik. Nižje temperature pa povzročijo, da se tekočina v termični žarnici skrči, kar zapre ventil in prepusti manj hladilnega sredstva.
Namestitev toplotnega ekspanzijskega ventila se običajno šteje za sestavni del hladilnih in klimatskih sistemov skoraj vseh velikosti. Številni hladilni sistemi vključujejo vsaj en termični ekspanzijski ventil, saj veljajo za precej natančne in dosledne v svoji funkcionalnosti. Sistemi, ki ne uporabljajo toplotnega ekspanzijskega ventila, se pogosto štejejo za netočne ali nedosledne.