Katup ekspansi termal biasanya adalah perangkat mekanis dalam sistem pendingin udara atau pendingin yang mengatur tekanan bahan pendingin. Dalam sistem ini, katup ekspansi termal dapat dianggap sebagai perangkat pengukur yang secara bersamaan memantau dan mengontrol jumlah zat pendingin yang digunakan oleh sistem pendingin setiap saat. Saat suhu berubah di dalam ruang, begitu juga jumlah zat pendingin yang diperlukan untuk mempertahankan suhu yang diinginkan. Katup ekspansi termal mengontrol tingkat variabel refrigeran.
Dalam banyak sistem pendingin, zat pendingin ditahan sebagai cairan di satu ruang dan dilepaskan sebagai gas di ruang lain. Tindakan ini mendorong proses pendinginan dengan menarik panas keluar dari ruang itu untuk mengubah fase zat pendingin dari cair menjadi gas dan kembali menjadi cair lagi. Katup ekspansi termal biasanya merupakan titik dalam sistem pendingin di mana cairan dilepaskan menjadi gas dan memulai proses pendinginan.
Bagian dari proses ini biasanya tergantung pada suhu komponen internal di dalam keseluruhan sistem pendingin. Katup ekspansi termal tipikal mencakup komponen yang disebut bohlam termal. Ruang ini diisi dengan sejumlah kecil cairan refrigeran yang diisolasi dari suhu udara dan terhubung langsung ke sistem kumparan yang dilalui refrigeran, biasanya disebut evaporator. Ketika terjadi perubahan suhu, bola lampu termal dipengaruhi oleh perubahan tersebut melalui sambungannya ke katup ekspansi termal dan sistem pendingin lainnya.
Saat suhu berubah di seluruh sistem, terutama di dalam evaporator, ini menunjukkan perubahan suhu untuk ruang yang didinginkan. Bahan dalam bohlam termal harus mengembang dan menyusut seiring dengan perubahan suhu karena bohlam termal mempertahankan ukuran yang konsisten meskipun ada perubahan suhu. Temperatur yang lebih tinggi dalam sistem pendingin memaksa cairan dan gas di dalam bohlam termal untuk mengembang. Ekspansi ini memaksa membuka katup, memungkinkan lebih banyak refrigeran masuk ke evaporator. Temperatur yang lebih rendah, di sisi lain, membuat cairan dalam bohlam termal berkontraksi, yang menutup katup dan memungkinkan lebih sedikit zat pendingin yang lewat.
Pemasangan katup ekspansi termal biasanya dianggap sebagai bagian integral dari sistem pendingin dan pendingin udara dari hampir semua ukuran. Banyak sistem pendingin mengintegrasikan setidaknya satu katup ekspansi termal, karena dianggap cukup akurat dan konsisten dalam fungsinya. Sistem yang tidak menggunakan katup ekspansi termal sering dianggap tidak akurat atau tidak konsisten.