当膨胀阀保持一定的开启度稳定工作时，作用在膜片上、下部的三个力处于平衡状态，膜片不动，阀门的开启度不变。而当其中一个力发生变化，就会破坏原有平衡，膜片开始位移，阀门开启度也随之变化，直到建立新的平衡为止。当蒸发器负荷增加，蒸发器内制冷剂气化量增加，显得供液量不足，蒸发器出口的制冷剂蒸汽过热度增大，感温包内制冷剂温度升高，这时感温包的压力大于其他两力之和，阀针向下移动，阀门开大，供液量增加。反之则弹簧力推动传动杆向上移动，阀门关小，减小供液量。
外平衡式热力膨胀阀有一根外部连接管，将膜片下部的空间与蒸发器出口相连接，这样膨胀阀膜片下部的压力就不再是蒸发器的进口压力，而是蒸发器的出口压力，从而可消除由于制冷剂在蒸发器中的流动阻力所引起的附加过热度。其动作原理与内平衡式热力膨胀阀类似，也是通过三个作用力之间的平衡，只是此时其中一个作用力不同。
热力膨胀阀是一种利用制冷剂热力参数来自动调节流量的节流控制元器件，被广泛应用。但是有不足之处:
①蒸发器处的高温气体首先要加热感温包外壳，感温包外壳有较大的热惯性，导致反应滞后。感温包外壳对感温包内工质的加热引起进一步的滞后。讯号反馈的滞后导致被调参数的周期性振荡。
②感温包内的压力通过薄膜传递给阀针。因薄膜的加工精度及安装均会影响它受压产生的变形以及灵敏度，故难以实现高精度控制。
③因薄膜的变形量有限，使阀针开度的变化范围较小，故流量的调节范围较小，不能满足使用变频压缩机时大流量的调节。
