Toplinski ekspanzijski ventil obično je mehanički uređaj u klimatizacijskom ili rashladnom sustavu koji regulira tlakove rashladnog sredstva. Unutar ovih sustava toplinski ekspanzijski ventili mogu se smatrati mjernim uređajima koji istovremeno nadziru i kontroliraju količinu rashladnog sredstva koju koristi rashladni sustav u bilo kojem trenutku. Kako se temperatura unutar prostora mijenja, tako se mijenja i količina rashladnog sredstva potrebna za održavanje željene temperature. Toplinski ekspanzijski ventil kontrolira promjenjive razine rashladnog sredstva.
U mnogim rashladnim sustavima, rashladno sredstvo se drži kao tekućina u jednoj komori, a ispušta se kao plin u drugoj. Ova radnja pokreće proces hlađenja povlačeći toplinu iz tog prostora kako bi promijenila fazu rashladnog sredstva iz tekućine u plin i ponovno u tekućinu. Toplinski ekspanzijski ventil je obično točka u rashladnom sustavu u kojoj se ispušta tekućina koja postaje plin i pokreće proces hlađenja.
Ovaj dio procesa obično ovisi o temperaturi unutarnjih komponenti unutar cijelog rashladnog sustava. Tipični toplinski ekspanzijski ventil uključuje komponentu koja se zove termalna žarulja. Ova komora je ispunjena malom količinom tekućine rashladnog sredstva koja je izolirana od temperatura zraka i povezana izravno sa sustavom zavojnica kroz koje prolazi rashladno sredstvo, koji se obično naziva isparivač. Kada dođe do promjena temperature, na termičku žarulju utječu te promjene kroz njen spoj na termički ekspanzijski ventil i ostatak rashladnog sustava.
Kako se temperatura mijenja u cijelom sustavu, posebno unutar isparivača, to ukazuje na promjenu temperature za prostor koji se hladi. Materijal u termalnoj žarulji mora se širiti i skupljati uz bilo kakvu promjenu temperature jer toplinska žarulja održava dosljednu veličinu unatoč temperaturnim promjenama. Više temperature u rashladnom sustavu tjeraju tekućinu i plin unutar termalne žarulje da se šire. Ova ekspanzija otvara ventil, dopuštajući da više rashladnog sredstva prođe u isparivač. Niže temperature, s druge strane, čine da se tekućina u termalnoj žarulji skuplja, što zatvara ventil i propušta manje rashladnog sredstva.
Instalacija toplinskog ekspanzijskog ventila obično se smatra sastavnim dijelom rashladnih i klimatizacijskih sustava gotovo svih veličina. Mnogi rashladni sustavi integriraju barem jedan toplinski ekspanzijski ventil, jer se smatraju prilično točnim i dosljednim u svojoj funkcionalnosti. Sustavi koji ne koriste toplinski ekspanzijski ventil često se smatraju netočnim ili nedosljednim.