當膨脹閥保持一定的開啟度穩定工作時，作用在膜片上、下部的三個力處于平衡狀態，膜片不動，閥門的開啟度不變。而當其中一個力發生變化，就會破壞原有平衡，膜片開始位移，閥門開啟度也隨之變化，直到建立新的平衡為止。當蒸發器負荷增加，蒸發器內制冷劑氣化量增加，顯得供液量不足，蒸發器出口的制冷劑蒸汽過熱度增大，感溫包內制冷劑溫度升高，這時感溫包的壓力大于其他兩力之和，閥針向下移動，閥門開大，供液量增加。反之則彈簧力推動傳動桿向上移動，閥門關小，減小供液量。
外平衡式熱力膨脹閥有一根外部連接管，將膜片下部的空間與蒸發器出口相連接，這樣膨脹閥膜片下部的壓力就不再是蒸發器的進口壓力，而是蒸發器的出口壓力，從而可消除由于制冷劑在蒸發器中的流動阻力所引起的附加過熱度。其動作原理與內平衡式熱力膨脹閥類似，也是通過三個作用力之間的平衡，只是此時其中一個作用力不同。
熱力膨脹閥是一種利用制冷劑熱力參數來自動調節流量的節流控制元器件，被廣泛應用。但是有不足之處:
①蒸發器處的高溫氣體首先要加熱感溫包外殼，感溫包外殼有較大的熱慣性，導致反應滯后。感溫包外殼對感溫包內工質的加熱引起進一步的滯后。訊號反饋的滯后導致被調參數的周期性振蕩。
②感溫包內的壓力通過薄膜傳遞給閥針。因薄膜的加工精度及安裝均會影響它受壓產生的變形以及靈敏度，故難以實現高精度控制。
③因薄膜的變形量有限，使閥針開度的變化范圍較小，故流量的調節范圍較小，不能滿足使用變頻壓縮機時大流量的調節。
